涡轮流量计的前后直管内径有什么影响
摘 要: 涡轮流量计在安装和使用过程中往往存在直管段口径与流量计通径不完全一致的现象。选取 CL 系列和 LWGY 系列涡轮流量计，在燃油动态流量标准装置上进行了上下游直管段不同口径条件下的校准试验，从而得到直管段口径对涡轮流量计 K 系数的影响。试验证明，直管段口径所引入的误差不可忽视，因此在使用或校准涡轮流量计时应务必保证直管段口径与流量计通径一致。
引言：
流量是现代工业测量中的一个重要参数。涡轮流量计具有测量精度高、量程范围宽、重复性与动态特性好等特点［1］，广泛用于流量测量领域，例如航空发动机试车台、发动机附件试验器、发动机半物理仿真试车台 实 验 中 均 选 用 涡 轮 流 量 计 对 燃 油 流 量 进 行测量［2-3］。
涡轮流量计的安装要求较高，其上下游需有足够长的直管段，同轴同口径安装。美国国家标准与技术研究院( NIST) 曾对上游安装 90°单弯头和异面 90°双弯头分别进行了试验研究［4］，天津大学对上游弯头和渐缩管对涡轮流量计测量性能进行了试验研究，并对涡轮流量 计 前 导 流 器 的 结 构 和 性 能 也 进 行 了 相 关 研究［5-6］，哈尔滨工业大学针对直管段长度对涡轮流量计精度的影响进行了分析［7］。但是在涡轮流量计的使用与检定校准过程中，上下游直管段的通径往往不会与流量计的通径完全一致，同样会直接影响涡轮流量计的准确度和校准结果，目前国内尚未进行相关的试验。
本文选取了典型涡轮流量计，进行了涡轮流量计变口径管路试验。
1、试验装置：
涡轮流量计是一种流量测量仪表，流动流体的动力驱使涡轮叶片旋转，其旋转速度与体积流量近似成比例。通过流量计的流体体积值是以涡轮叶轮转数为基准的。涡轮流量计主要由传感器和转换器组成。使用仪表 K 系数或累积流量来计算流量计的示值误差［8］。
本次试验所使用的标准装置为燃油动态流量标准装置，该装置采用体积管法，测量扩展不确定度为U = 0. 05% ( k = 2) ，其原理如图 1 所示。
燃油动态流量标准装置的工作原理为: 工作过程中电机旋转，驱动滚珠丝杠带动标准体积管活塞左行，排出液体流经控制阀门及被检流量计后，经过过滤器回到储油箱; 同时，储油箱里的油经过下游管段进入标准体积管［9］。
2、试验内容：
研究中选择常用的 CL 系列涡轮流量计和 LWGY系列涡轮流量计进行试验。分别选 取 DN4，DN6 和DN10 口径的流量计，且均为 0. 5 级。图 2 为本次试验涡轮流量计的安装示意图，图中 D为被校涡轮流量计的通径，d为上下游直管段的内壁直径。依据 JJG 1037-2008《涡轮流量计检定规程》的要求，
保证上下游的直管段与被校流量计同轴安装，并且连接处的密封垫不得凸入流体管道内［9］，上游直管段长度为20 D，下游直管段长度为 10 D。试验过程中，保证试验流体为单相液体，介质为航空燃油 ＲP-3。
在试验过程中，为每只流量计配制了 7 组不同口径的直管段，对每只流量计进行 7 次校准测试。设 K为涡轮流量计通径与直管段通径的比值，则有
其中，0. 75 ＜ K ＜ 1. 2。在此基础上，每次试验过程中，根据流量计的流量范围，选取 9 个流量点，每个流量点校准 3 次。流量计的铭牌信息及直管段口径选择详见表 1。
3、试验结果：
选取 h = 1，即以上下游管路直径与涡轮流量计的口径完全一致时涡轮流量计的值作为标准值，用 KU表示，根据式( 3) 对其它工况下试验数据进行无量纲化。
式中: E 为其它工况与标准工况下的系数差值比; KU为标准工况下的仪表系数，m － 3或 L － 1 ; Ki为其它工况下的仪表系数，m － 3或 L － 1。
图 3 ～ 图 8 分别为流量计的 K 系数曲线图和无量纲化后的差值比曲线图。
从 K 系数曲线图中可以看出，不同直管段口径会影响仪表 K 系数，但是与仪表本身 K 系数的变化趋势一致。
从 K 系数差值比曲线图中可以看出，直管段通径d 与流量计通径 D 的差值越大，则对 K 系数的影响越严重。对于 CL 系列涡轮流量计，若 d ＜ D，则仪表 K系数会减小; 若 d ＞ D，则仪表 K 系数会增大; 而对于LWGY 系列涡轮流量计，d 的变化与仪表 K 系数之间无明显对应关系。
通过式( 4) 对不同工况下仪表系数波动 Δ 情况进行计算。
式中: Kmax为同一流量点下不同工况下仪表系数最大值; Kmin为同一流量点下不同工况下仪表系数最小值。
从表 2 中可以得到，试验中系数最大相差 2. 7% 之多，所选进行试验涡轮流量计最大允许误差为 0. 5 级，直管段口径改变造成的误差远远超过流量计的最大允许误差。
4、结论：
在涡轮流量计的检定校准过程中，校准实验室会保证直管段口径与流量计口径一致，而在实际使用过程中，直管段口径往往很难满足要求，因此直接应用检定校准结果，势必引入误差。建议各单位在设计涡轮流量计上下游管路时务必保证 JJG 1037-2008 《涡轮流量计检定规程》中的安装条件，对于高精度涡轮流量计，必要时，应当将涡轮流量计上下游直管段与流量计一同送至检定单位，以减少直管段口径和长度不同而引入的误差。
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