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运用气体流量装置校准液体涡街流量计

时间:2018/06/03来源:未知

摘要:文章从涡街流量计的原理和实验角度, 阐述了运用标准表法气体流量标准装置校准液体涡街流量计的理论依据和校准方法;结合DY050和PROWIRL72F两种典型涡街流量计, 具体阐述了校准方法, 取得了较好的校准效果;根据校准实例, 讨论了涡街流量计的K系数干标法、线性特性和误差特性。
 

1 问题的提出

涡街流量计 (以下简称VSF或流量计) 适用于气体、液体和蒸汽流量的测量, 广泛应用于管道流量的测量, 获得了较高的市场占有率。目前, 本单位具备较强的气体流量检测能力 (具有0.2级钟罩式气体流量标准装置、0.25级标准表法气体流量标准装置等) , 能开展1.0级以下的气体涡街流量计的检校工作;在实验室液体流量检测方面, 只具有0.2级水表检定装置, 尚不能开展液体涡街流量计检校工作。对一些智能涡街流量计能否通过更改设置 (将测量介质由液体改为气体, 并设置相应量程) , 进而用气体流量标准装置对更改设置后的智能涡街流量计进行校准;校准结束后, 复原液体涡街流量计的原先设置。我们进行了尝试, 获得了较好的校准效果。

2 理论依据

2.1 涡街流量计的测量原理

如图1, 在流体中安放非流线型柱状体 (旋涡发生体) , 当流速大于一定值时, 流体在旋涡发生体下游两侧交替地分离出两列有规律的交错排列的旋涡 (卡门涡街) , 通过检测涡街产生的频率, 根据相关的关系式得到流体的流量。

2.2 涡街流量计的特性

设旋涡的发生频率为f, 被测流体介质的平均速度为v, 旋涡发生体迎流面宽度为d, 管道内径为D, 根据卡门涡街原理, 有如下关系式:

 
图1 涡街流量计原理图

图1 涡街流量计原理图 

 

计算公式

式中:v1为旋涡发生体两侧的平均流速, m/s;St为斯特劳哈尔数, 量纲为l;m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比, 量纲为l。

管道内流体的体积流量qv为:

计算公式

式中:K为涡街流量计的流量系数, P/m3或P/L。

式 (3) 就是涡街流量计测量的基本关系式, 其中K与旋涡发生体、管道的几何尺寸和斯特劳哈尔数St有关。斯特劳哈尔数St为无量纲参数, 它与旋涡发生体形状及雷诺数Re有关;当Re为2×104~7×106时, St可视为常数, 这是流量计的正常工作范围。图2为涡街流量计特性曲线示意图。

同时可以看到, 在一定雷诺数范围内, 产生旋涡的频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关, 旋涡的频率正比于流量, 且不受流体物性 (密度) 和组分的影响, 即流量系数K只与旋涡发生体、管道形状尺寸有关;因此, 只需在一种典型介质中标定其流量系数 (K系数) 而适用于各种介质, 这也是我们此次校准的理论依据。[3]

图2 涡街流量计特性曲线图

图2 涡街流量计特性曲线图

 

3 校准方法

3.1 校准设备

校准设备采用0.25级标准表法气体流量标准装置 (负压法) , 主要由流量标准器 (涡轮标准表) 、流体源、计时器、控制设备、数据采集处理系统和试验管路等组成, 两个校准台位。其设计及检定的依据是JJG643—2003《标准表法流量标准装置》;设计的流量范围为 (5~4800) m3/h, 可对DN25~DN250的气体流量计进行检定。装置的准确度为0.25级, 可检定1.0级及以下的气体流量计 (包括涡轮流量计、罗茨流量计和涡街流量计等) 。

3.2 校准对象和校准方法

涡街流量计输出方式有脉冲输出、模拟量输出和数字通讯, 这里主要讨论脉冲输出和模拟输出两种输出方式, 并结合两种典型涡街流量计进行阐述。

(1) 脉冲输出方式

①校准对象

DYA型数字式旋涡流量计 (DY050) , DN50, 1.0级, 脉冲输出, 带显示器;测量介质:液体, 表号:DY1105753。

②校准方法[5]

更改原参数前, 切记记录原参数, 在校准结束后正确地恢复流量计原先设置。

A更改测量介质

将测量介质由液体改为气体。根据流量计使用手册, 将C20 (流体类型FLUID) 中, LIQUID:Volume (液体:体积量) 改为GAS/STEAM:Volume (气体或蒸汽:体积量) 。

B更改测量量程

根据流量计的使用手册, 确认和设置气体介质下的测量量程。

(a) 确认气体介质下的测量量程

校准时, 实验室温度为19.8℃, 大气压为100.28k Pa, 根据流量计使用手册查表9.5.5知:DY050流量计 (0MPa下, 负压法) 的最小流量和最大流量分别是:38.7m3/h和591m3/h。

(b) 设置气体介质下的测量量程

根据流量计使用手册, 将B10 (流量范围FLOW SPAN) 改为591。

C根据JJG 1029—2007, 设置流量点进行校准, 该流量计校准数据见表1。

表1 涡街流量计 (表号:DY1105753) 的检测数据表

表1 涡街流量计 (表号:DY1105753) 的检测数据表

由表1知, 校准结果如下, 根据JJG 1029—2007得:平均仪表系数K=8821.53/m3, 仪表线性度±0.41%, 仪表重复性0.23%, 被校流量计符合1.0级要求。

D校准结束, 恢复流量计原先设置。

③流量系数 (K系数) 的讨论

表2 液体涡街流量计空气校准前后的K系数比较表 

表2 液体涡街流量计空气校准前后的K系数比较表

K系数是涡街流量计非常重要的参数, 表2通过对5台不同口径的流量计进行空气标定, 标定的K系数与原出厂K系数比较, 其相对误差均在1.0%以内。由公式 (3) 可知, 对于确定了的涡街流量计, 管道内径D、旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比m、旋涡发生体迎面宽度d均为定值;流量计正常工作时 (雷诺数Re为2×104~7×106) , St可视为常数;所以对已知的涡街流量计而言, K系数应为定值, 不随测量介质变化而变化。

因此, 完全可以通过测量涡街流量计发生体的几何参数, 预测St值和K系数;根据仪表的误差要求, 对发生体的加工公差 (包括尺寸公差和行位公差) 、装配公差和现场安装要求等提出具体要求;进而使涡街流量计标准化生产, 实现所谓的“干标定” (相对使用实流标定而言) ;目前, 三角柱发生体的标准化已取得一定的成果。涡街流量计干标定是一项技术基础性的行业工作, 有广泛的社会经济价值, 对涡街流量计的发展有着深远的意义。[3]

(2) 模拟输出方式

①校准对象

涡街流量计:PROWIRL 72F, DN40, 1.0级, (4~20) m A输出, 带显示模块;测量介质:液体, 表号:D403C718000。

②校准方法

更改原参数前, 切记记录原参数, 在校准结束后正确地恢复流量计原先设置。对于PROWIRL 72F涡街流量计, 更改参数前, 需要输入密码 (ACCESS CODE) , 出厂密码为72。

A更改测量介质

将测量介质由液体改为气体。参照流量计操作手册, 设置“APPLICATION=GAS/STEAM” (应用=气体/蒸汽) 。

B更改测量量程

根据流量计的操作手册, 确认和设置气体介质下的测量量程。

a确认气体介质下的测量量程

校准时, 实验室温度为19.8℃, 大气压为100.28k Pa, 取空气密度为1.205kg/m3, 根据流量计使用手册10.1.3和10.5计算流量范围, 最小流量和最大流量分别是:33.5m3/h和393.7m3/h。

b设置气体介质下的测量量程

根据流量计的操作手册11.2.7CURRENT OUT-PUT, 设置“VALUE 20m A=393.7”。

C根据JJG1029—2007中7.2.3要求, 设置流量点进行校准;经校准, 该流量计校准结果如下:仪表基本误差0.45%, 仪表重复性0.22%, 被校流量计符合1.0级要求。

D校准结束, 恢复流量计原先设置。

③涡街流量计的线性特性

涡街流量计是一种速度式流量计, 也是一种线性流量计。

由公式 (3) 可知, 对于确定了的涡街流量计, 在一定的雷诺数内 (流量计正常工作的范围) , K系数为定值, 此时流量qv正比于频率f, 即涡街流量计是一种线性流量计, 极大方便了涡街流量计的应用, 这也是讨论模拟输出信号的理论基础;VSF线性特性曲线如图3, 对于理想的VSF而言, 其线性斜率为:

图3 涡街流量计线性特性曲线图

图3 涡街流量计线性特性曲线图

 

3.3 涡街流量计的误差特性

这里主要讨论不同标定介质下的涡街流量计误差特性。根据涡街流量计 (表号:DY1105753) 试验数据, 经过雷诺数计算, 作出气体标定下VSF的误差特性图, 见图4。

图4 气体标定下VSF的误差特性图

图4 气体标定下VSF的误差特性图

图5 涡街流量计K-Q特性曲线图

图5 涡街流量计K-Q特性曲线图

文献[2]中, 对同一台VSF分别用空气、水、轻油做误差标定试验, 试验表明:在一定的雷诺数内, 在不同标定介质下的误差特性均在±1.0%以内。

文献[4]中, 对YF型VSF分别做了如下实流标定试验:常压空气和水、不同压力空气和水、高压空气和水、不同介质 (二氧化碳、空气、氮气、重油) 和水、液氮和水, 试验表明:在一定的雷诺数内, 在上述不同标定条件下, 其误差均在±1.0%以内。

试验结果表明:在一定的雷诺数范围内, VSF的准确度受介质影响很小;其流量系数 (K系数) 与流量特性曲线 (K-Q特性曲线) 如图5所示。

4 结论

涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表, 应用范围广泛, 是一种常用的流量计量器具。在计量标准器的限制下, 本文立足涡街流量计的原理和特性, 结合实例介绍了运用气体流量标准装置校准液体涡街流量计, 值得注意的是本文指的流量计是可以通过显示器或手操器 (如BT200、HART375) 等更改设置的涡街流量计。


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