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    壓縮空氣流量計(jì)是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表，以其對(duì)流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場.自20世紀(jì)60年代末誕生以來，壓縮空氣流量計(jì)發(fā)展迅速，國內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)旋渦發(fā)生體形狀、信號(hào)檢測方式以及數(shù)字信號(hào)處理方法等方面展開了大量研究工作，并取得了顯著成果.隨著壓縮空氣流量計(jì)的推廣和使用，其安裝影響越來越受到人們的重視，安裝環(huán)境、使用條件對(duì)其測量精度的影響成為需要關(guān)注的問題.
    英國Surrey大學(xué)和英國國家工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)上游安裝單90。彎頭、半開閘閥、不同平面的2個(gè)90°彎頭3種阻流件情況分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論壓縮空氣流量計(jì)安裝在其下游的測量精度.日本國家計(jì)量科學(xué)研究院的Takamto等通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)4種不同形狀的旋渦發(fā)生體在6種阻流件安裝條件下的測量性能進(jìn)行研究，通過分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對(duì)誤差，zui終給出了安裝每種阻流件時(shí)保證壓縮空氣流量計(jì)測量精度所需的zui短卜游直管段長度，但對(duì)后直管段長度并未提及.此外，我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 9249-1999)中對(duì)壓縮空氣流量計(jì)在不同阻流件J睛況下的前后直管段長度也作了相應(yīng)規(guī)定，但是規(guī)定中所推薦的直管段均較長，一般壓縮空氣流量計(jì)現(xiàn)場安裝條件根本無法滿足.而國外文章中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性，能否直接拿來使用值得推敲.目前國內(nèi)針對(duì)壓縮空氣流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報(bào)道.本文針對(duì)100 mm口徑的壓縮空氣流量計(jì)開展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單90°彎頭和全開閘閥影響的實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，zui終給出了下游單彎頭、全開閘閥條件下壓縮空氣流量計(jì)安裝的前后直管段長度建議.
1、實(shí)驗(yàn)裝置
    實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)天津市過程參數(shù)檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的，實(shí)驗(yàn)管徑100 mm，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意.水泵連續(xù)將水池里的水送人高位水塔，水塔通過溢流來保持水壓的恒定.實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水塔的下水管引人到實(shí)驗(yàn)管道，依次流過標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)壓縮空氣流量計(jì)，zui后回到水池，通過調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié).實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)、壓縮空氣流量計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度可達(dá)0.1%。
 
    實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為橫河DY100-EBLBAI-2D一體化壓縮空氣流量計(jì)，口徑100 mm.該樣機(jī)zui大特點(diǎn)是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號(hào)處理方法，保證了在較寬的測量范圍內(nèi)具有較高精度.可測流量范圍7.5~248 m3/h，精度可達(dá)1%.但是，受實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的流量范圍限制，zui小流量只能做到10 m3/h，zui大流量可以達(dá)到200 m3/h.由于管道改造后壓損增大，zui終流量上限只能達(dá)到150 m3/h左右，所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測試的流量范圍為10~150 m3/h。
2、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
    表1給出了此次研究的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，共進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭和全開閘閥3大類共23組實(shí)流實(shí)驗(yàn)，均在圖1所示的實(shí)驗(yàn)段X處進(jìn)行.其中，基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是所有阻流件實(shí)驗(yàn)的參考基準(zhǔn)，即認(rèn)為壓縮空氣流量計(jì)人口為充分發(fā)展湍流流動(dòng)，為其*使用條件，此時(shí)壓縮空氣流量計(jì)前直管段長度為100D (D為管道直徑，D = 100 mm)，后直管段長度為10D.對(duì)于單彎頭和全開閘閥的實(shí)驗(yàn)需要對(duì)裝置進(jìn)行改造后才能進(jìn)行，圖2所示為彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件的連接示意.

    通過不同管道組件的組合來實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長度的實(shí)驗(yàn).如表1所示，彎頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前直管段分別為1D,3D,5D,l10D,15D,20D，后直管段為3D,5D共12組實(shí)驗(yàn)，后直管段下游安裝一個(gè)全開閘閥，作為后直管段長度的結(jié)束.同理，全開閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5種前直管段長度、2種后直管段長度共10組實(shí)驗(yàn).與彎頭實(shí)驗(yàn)不同的是，為了消除閘閥上游阻流件(彎頭)對(duì)流場的影響，在實(shí)驗(yàn)段X卜游設(shè)置了30 D長的直管段，這樣保證了與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)比較的差異均由閘閥安裝引起.圖3和圖4分別為彎頭實(shí)驗(yàn)前直管段20 D、后直管段3D安裝條件時(shí)和全開閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段15 D、后直管段SD安裝條件時(shí)的管道現(xiàn)場安裝示意.

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論
3.1實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)
    根據(jù)壓縮空氣流量計(jì)檢定規(guī)程(JJG 1029-2007)，當(dāng)其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時(shí)，評(píng)價(jià)壓縮空氣流量計(jì)測量精度的指標(biāo)有量程比線性度等.針對(duì)本文所討論的卜游存在阻流件且前后直管段改變的情況，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)線性度和重復(fù)性.
    1)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差△K
    每個(gè)流量檢定點(diǎn)，在第i次檢定時(shí)間內(nèi)，壓縮空氣流量計(jì)輸出脈沖數(shù)為N;，流經(jīng)壓縮空氣流量計(jì)的體積流量為Vi，則該流量點(diǎn)下第i次檢定的儀表系數(shù)為
3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的zui寬流量范圍，進(jìn)行了單彎頭和全開閘閥的實(shí)流實(shí)驗(yàn).圖5和圖6分別為彎頭實(shí)驗(yàn)和閘閥實(shí)驗(yàn)壓縮空氣流量計(jì)儀表系數(shù)K隨流量Q變化的曲線.圖中只給出了流量范圍在24150 m3/h時(shí)相同后直管段情況下改變前直管段長度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線位置流量為28 m3/h.需要說明的是，通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該流量點(diǎn)是壓縮空氣流量計(jì)測量性能突變的一個(gè)分界點(diǎn).小于該流量時(shí)壓縮空氣流量計(jì)的測量性能變差，且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，因此圖中僅給出24 m3/h情況作為說明.表2列出了基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算出的在分界流量點(diǎn)兩側(cè)時(shí)壓縮空氣流量計(jì)測量性能數(shù)據(jù).
    從圖5和圖6中可以看出，當(dāng)流量在28150 m3/h時(shí)，無論是單彎頭還是閘閥，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有以下特征.
    (1)在相同后直管段條件下，壓縮空氣流量計(jì)儀表系數(shù)隨流量的減小而逐漸增大，但在接近下限流量處會(huì)有一突降.從壓縮空氣流量計(jì)工作特性來分析，出現(xiàn)突降點(diǎn)是不合理的.分析可能造成的原因，小流量時(shí)渦街信號(hào)微弱不易檢測，加之實(shí)驗(yàn)裝置管道振動(dòng)等干擾因素，會(huì)使壓縮空氣流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)不穩(wěn)定，造成丟波或漏檢.雖然儀表系數(shù)的突降會(huì)成壓縮空氣流量計(jì)測
量性能變差，但從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在前直管段大于等于5D時(shí)，測量性能仍可保證，即壓縮空氣流量計(jì)仍處于正常工作狀態(tài).

    (2)在相同后直管段條件下，隨著前直管段的縮短，壓縮空氣流量計(jì)平均儀表系數(shù)逐漸增大，即曲線逐漸卜移.
    (3)與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，直管段長度改變對(duì)小流量造成的影響比大流量時(shí)要大，即小流量時(shí)儀表系數(shù)偏差更大.
    (4)當(dāng)前直管段較長時(shí)，后直管段對(duì)儀表系數(shù)的影響不大;隨著前直管段逐漸縮短，后直管段越短造成平均儀表系數(shù)的偏差越大(見表2).
    對(duì)于流量小于28 m3/h的情況，如圖5和圖6所示在24 m3/h流量點(diǎn)，前直管段越短，儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重，造成在整個(gè)測量范圍(24~150 m3/h)內(nèi)儀表系數(shù)非線性越嚴(yán)重，即線性度越差.此外，前直管段越短，重復(fù)性越差.如表2所示，當(dāng)流量計(jì)卜游為單彎頭時(shí)，只有前直管段為20 D時(shí)能夠滿足測量精度要求.當(dāng)為全開閘閥時(shí)，由于儀表系數(shù)非線性嚴(yán)重，所討論的直管段長度均不能滿足測量要求.由于在24 m3/h時(shí)壓縮空氣流量計(jì)受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測量性能，無法正常工作，因此更低流量點(diǎn)情況在本文不再討論.
3.3安裝使用建議
    表2給出了23組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄，并基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和表3給出的評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，給出了安裝使用壓縮空氣流量計(jì)的建議.其中V，表示安裝的前后直管段合;"x"表示安裝的前后直管段不合適，上游阻流件對(duì)壓縮空氣流量計(jì)的影響不能忽略.

    僅對(duì)流量在28~150 m3/h情況給出評(píng)價(jià)結(jié)論:根據(jù)表3評(píng)價(jià)方法，如表2所示，對(duì)于卜游安裝單彎頭，前直管段分別為2D,3D，后直管段分別為3 D,5D共4種情況時(shí)，彎頭對(duì)壓縮空氣流量計(jì)的測量影響不能忽略;對(duì)于卜游安裝全開閘閥，除了以上4種前后直管段組合情況外，當(dāng)前直管段為5D，后直管段為3D時(shí)，閘閥對(duì)壓縮空氣流量計(jì)的測量影響均不能忽略.
4、與國外相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較
  將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本國家計(jì)量科學(xué)研究院Takamto等對(duì)壓縮空氣流量計(jì)安裝影響研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，圖7所示為壓縮空氣流量計(jì)在彎頭和全開閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，橫軸為壓縮空氣流量計(jì)前直管段長度，以管道直徑D為zui小單位，縱軸為平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差△K.

    1)研究內(nèi)容不同
    Takamt等研究了4種旋渦發(fā)生體的壓縮空氣流量計(jì)在2種安裝角度和2個(gè)雷諾數(shù)下前直管段的影響，圖7中所示結(jié)果包含了多種因素，是一個(gè)綜合評(píng)價(jià).2個(gè)雷諾數(shù)分別為3.0 x 105和7.0x106.
    本實(shí)驗(yàn)針對(duì)一種典型壓縮空氣流量計(jì)在常規(guī)安裝角度(水平安裝，信號(hào)轉(zhuǎn)換器在卜方)下不同前后直管段長度組合進(jìn)行研究，針對(duì)性更強(qiáng).實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為3.5 x 104~5.3 x 105.
    2)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同
    Takamt等的研究中只有平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且僅給出了相對(duì)誤差的分布圖(圖7)，沒有關(guān)注在整個(gè)測量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性.
    本實(shí)驗(yàn)中除關(guān)注平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差外，還對(duì)流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從圖5和圖6中可以很直觀地看出隨流量變化儀表系數(shù)的變化規(guī)律.
    3)結(jié)論不同
    Takamt等的結(jié)論是:當(dāng)上游存在單彎頭阻流件時(shí)，壓縮空氣流量計(jì)所需zui短上游直管段長度為13D;當(dāng)上游存在全開閘閥阻流件時(shí)，壓縮空氣流量計(jì)所需zui短卜游直管段長度為5D.
    本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論:當(dāng)流量在28一150 m3/h,壓縮空氣流量計(jì)上游存在單彎頭時(shí)，其所需zui短卜游直管段長度為5D，下游直管段長度為3D; 1.游存在全開閘閥時(shí)，壓縮空氣流量計(jì)所需zui短卜游直管段長度為5 D,下游直管段長度為5D.當(dāng)流量小于28 m3/h時(shí)，壓縮空氣流量計(jì)儀表系數(shù)明顯下降，已無法正常工作.這說明，阻流件對(duì)小流量測量性能影響嚴(yán)重，若仍想保證測量精度，則需犧牲流量測量范圍.

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