大部分流量?jī)x表(如電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì))是以實(shí)流校準(zhǔn)，即用實(shí)際流體流過(guò)被校儀表，再用別的標(biāo)準(zhǔn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)或流量標(biāo)準(zhǔn)裝置)測(cè)出流過(guò)被校準(zhǔn)儀表的流量，與被校儀表的流量值作比較,或?qū)⒈恍x表進(jìn)行分度。這種實(shí)流校準(zhǔn)方法又稱作濕法校準(zhǔn)。渦街流量計(jì)曾也用實(shí)流校準(zhǔn)法。還有一種稱作干法校準(zhǔn)的間接方法，是以測(cè)量流量傳感部分的結(jié)構(gòu)尺寸或其他與計(jì)算流量有關(guān)的量,并按規(guī)定使用，間接校準(zhǔn)儀表流量值.獲得相應(yīng)測(cè)量精度。
雖然渦街流量計(jì)當(dāng)前仍采用實(shí)流校準(zhǔn)流量，但因其流量傳感件形狀簡(jiǎn)單,與孔板相仿具有實(shí)現(xiàn)間接法校準(zhǔn)的潛在可行性。十余年前國(guó)際上就有人按標(biāo)準(zhǔn).節(jié)流裝置的思路探索實(shí)施旋渦發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)化方面工作。1994年日本工業(yè)技術(shù)院計(jì)量研究所曾在FLOMEKO'94會(huì).上提出標(biāo)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體研究的階段性報(bào)告，報(bào)告結(jié)論稱渦街流量計(jì)干法校準(zhǔn)的不確定度小于孔板，僅為0.3%。重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所在”七五”期間亦曾開(kāi)展這項(xiàng)研究工作，設(shè)計(jì)制作DN50/DN100儀表的旋渦發(fā)生體近200套，實(shí)驗(yàn)求取各參數(shù)敏感系數(shù)、幾何尺寸公差、安裝要求和安裝條件影響等，獲得第一階段成果。在這一成果的基礎(chǔ)上,制訂渦街流量傳感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZBN12006-89)和國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程(JJG620-89).采用了部分內(nèi)容，但未形成標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)和干法校準(zhǔn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
1989年日本制訂了渦街流量計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《渦街流量計(jì)一流量測(cè)量方法》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》),2002年修訂時(shí)設(shè)一專章，納入了標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)的研究成果，在《標(biāo)準(zhǔn)》的“解說(shuō)“部分說(shuō)明確定旋渦發(fā)生體各要素的依據(jù)，例舉典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下文扼要轉(zhuǎn)述《標(biāo)準(zhǔn)》中旋渦發(fā)生體形狀、尺寸及其允差,各尺寸對(duì)斯特勞哈爾(Strouhal)數(shù)的敏感性,不確定度分析等。
一標(biāo)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體形狀和尺寸
標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體是截角的等腰三角形六面體截面柱.形狀和尺寸如圖1、表1所示，。所選定尺寸是經(jīng)一系列優(yōu)化實(shí)驗(yàn)后的最優(yōu)尺寸。例如所選取W=0.28D和H=0.35D是在一組斯特勞哈爾數(shù)(Si)-雷諾數(shù)Ren關(guān)系線中(分別見(jiàn)圖2和圖3)最為平坦，即儀表可獲得最好的線性度。
按標(biāo)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體制造的渦街流量計(jì)可以不用實(shí)流校準(zhǔn)，保證達(dá)到預(yù)期測(cè)量精度。當(dāng)前《標(biāo)準(zhǔn)》適用范圍口徑為100~600mm,Reo為1x105~2x106，是本次制訂《標(biāo)準(zhǔn)》時(shí)的實(shí)驗(yàn)范圍，隨著今后進(jìn)一步研究，下次修訂時(shí)適用范圍有可能擴(kuò)大。
二．標(biāo)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)St
《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的旋渦發(fā)生體按插入測(cè)量管頂端是否固定分為標(biāo)準(zhǔn)1型和標(biāo)準(zhǔn)2型兩種,其S:值微有差異,如表2。標(biāo)準(zhǔn)1型多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀表口徑為DN100DN400,St與Reo無(wú)關(guān)平均值為0.25033.其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%;標(biāo)準(zhǔn)2型實(shí)驗(yàn)口徑為DN150和DN200,實(shí).驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合線為近似二折線，St與Ren有關(guān)。
僅從St-Ren關(guān)系在性能上考察,標(biāo)準(zhǔn)1型優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)2型，然而流體中微粒子堵塞旋渦發(fā)生體臺(tái)座與測(cè)量管間的隙縫，將引起特性大幅變化，因此從實(shí)用觀點(diǎn)考慮再.增加無(wú)隙縫的標(biāo)準(zhǔn)2型。但是標(biāo)準(zhǔn)2型易受上游管件等擾流影響,《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定必須在儀表上游10D處裝置明石型多孔板流動(dòng)調(diào)整器(FlowCondi-tioner)組合使用。
三．斯特勞哈爾數(shù)不確定度分析和評(píng)估
St數(shù)的擴(kuò)展不確定度Est(包含因子k=2)如下式:
式中，等式右邊前9項(xiàng)是旋渦發(fā)生體各結(jié)構(gòu)要素的允差(前附加記號(hào)δ),后6項(xiàng)是旋渦發(fā)生體與測(cè)量管間裝配的偏心距/角度(η、e、α、β)允差(含義和符號(hào)如圖4所示)、直管段長(zhǎng)度附加不確定度(ur)等因素。
經(jīng)研究分析所定式(1)各不確定性因素項(xiàng)中，其系數(shù)中包括經(jīng)實(shí)驗(yàn)求得的敏感系數(shù)。St數(shù)不確定度uc(St)按不確定度傳播律由式(2)合成求得:
式中,u(xi)是以各參數(shù)xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示，最后7項(xiàng)不是旋渦發(fā)生體結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定度。Ua包含有旋渦發(fā)生體平行部和上游面間的角度、旋渦發(fā)生體/測(cè)量管表面粗糙度等的不確定度;usro是測(cè)量St數(shù)時(shí)校準(zhǔn)設(shè)備引起的附加不確定度;Uf是上游擾流管件形成流動(dòng)畸變和旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的附加不確定度。
us和Ustd是需確定的值,但在校準(zhǔn)設(shè)備充分長(zhǎng)直管可忽略u(píng)r情況下，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)1型St數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0003.即可得到:uz2+usro2=0.0003(3)
一般機(jī)械零件設(shè)計(jì)規(guī)定尺寸允差δ(xi)，實(shí)際制造尺寸分布假設(shè)為三角形分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(xi)如式(4)所示:u(xi)=δ(xi)/J6(4)
通常擴(kuò)展不確定度的包含因子k=2.擴(kuò)展不確定度Est=Kuc(St)=2uc(St),再?gòu)氖?4).并對(duì)尺寸允差無(wú)次元化,變換后得式(5),再代入敏感系數(shù)ε,就成為前文式(1)，式中uf將在下文說(shuō)明。
《標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)部分列舉了W.T.Gw三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)求取敏感系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3,從旋渦發(fā)生體寬度W對(duì)St數(shù)的敏感性圖中可求出敏感系數(shù)1.208.
四.標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)前后直管段長(zhǎng)度要求和安裝影響
為控制前文提到流動(dòng)擾動(dòng)引起的不確定度uf，《標(biāo)準(zhǔn)》正文提出儀表前后直管段長(zhǎng)度和其他安裝條件要求:
(1)在規(guī)定附加相應(yīng)不確定度下.如《標(biāo)準(zhǔn)》中圖例。
(2)從旋渦發(fā)生體中心軸下游側(cè)1D的流通通道(測(cè)量管或管道)內(nèi)，不能有臺(tái)階。
(3)使用標(biāo)準(zhǔn)2型時(shí)，須在流量計(jì)上游10D處裝明石型多孔流動(dòng)調(diào)整器，其X-X(水平)軸必須與旋渦發(fā)生體軸平行安裝。
解說(shuō)“部分列出確定六種擾流管件直管段長(zhǎng)度要求的依據(jù)(12幀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖)，從中可了解直管段不足時(shí)對(duì)St數(shù)的影響程度。例如標(biāo)準(zhǔn)1型在單彎管擾流下不同直管段長(zhǎng)度的附加誤差.不足規(guī)定30D僅10D時(shí)St數(shù)增大約0.8%。
流動(dòng)調(diào)整器的安裝:“解說(shuō)”還列出標(biāo)準(zhǔn)2型儀表不裝流動(dòng)調(diào)整器St數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，與裝流動(dòng)調(diào)整相比，變化0.7%左右，流動(dòng)調(diào)整器與儀表間組裝于不同距離和不同位置孔轉(zhuǎn)角影響St數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖2幀,說(shuō)明St變化達(dá)0.5%~0.8%。
測(cè)量通道臺(tái)階影響:“解說(shuō)“闡明儀表測(cè)量?jī)?nèi)徑和前后管路內(nèi)徑差異形成臺(tái)階影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖3幀，文件認(rèn)為試驗(yàn)尚不夠充分,因此未納入《標(biāo)準(zhǔn)》正文。所例舉儀表內(nèi)徑151mm,測(cè)量管長(zhǎng)151mm,旋渦發(fā)生體置于中點(diǎn)，連接到3種內(nèi)徑:A=146.5mm、B=1555mm、C=159.2mm的前后直管，按臺(tái)階與旋渦發(fā)生體軸間距作4組配置，即(1)上游側(cè)0.5D，下游測(cè)0.5D;(2)上游側(cè)1D，下游側(cè)0.5D;(3).上游側(cè)0.5D,下游側(cè)1D;(4).上游側(cè)1D,下游側(cè)1D。所測(cè)得的St數(shù)與無(wú)臺(tái)階管段相比，變化如表4。從中可看出:前后直管內(nèi)徑小于儀表測(cè)量管內(nèi)徑比大于測(cè)量管內(nèi)徑影響大:后臺(tái)階的影響大于前臺(tái)階的影響。認(rèn)為渦街流量計(jì)后直管內(nèi)徑與儀表內(nèi)徑差的影響比前直管大這一現(xiàn)象，與其他流量?jī)x表(如節(jié)流差壓流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì))前直管影響大的常例相反.值得關(guān)注。
管軸偏心影響:儀表測(cè)量管與管道不同心度形成的附加誤差,從”解說(shuō)”提供內(nèi)徑151mm儀表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明是不容忽視的。偏心4.5mm(口徑的3%.偏心口與旋渦發(fā)生體軸相距0.5D)時(shí)附加誤差達(dá)3%以上。若測(cè)量管較長(zhǎng),偏心口與旋渦發(fā)生體軸相距1.5D以上時(shí)，影響可大為減小。認(rèn)為從這一實(shí)驗(yàn)看出，制造廠為使儀表輕巧和降低成本,測(cè)量管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過(guò)短，實(shí)質(zhì)上對(duì)使用者提高了要求和費(fèi)用，從總體考慮并不合理。
五.結(jié)束語(yǔ)
JISZ8766提出了標(biāo)準(zhǔn)旋渦流量計(jì)的方案和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)典型數(shù)據(jù)，我們可借鑒這一文件開(kāi)展旋渦流量計(jì)干法校準(zhǔn)方面的工作。日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(JSA)準(zhǔn)備向國(guó)際標(biāo)化組織(ISO)提出,將JISZ8766作為渦街流量計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案。期待國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化后的渦街流量計(jì)能像標(biāo)準(zhǔn)孔板等節(jié)流差壓流量計(jì)那樣普及。
《標(biāo)準(zhǔn)》提出幾種擾流件的直管長(zhǎng)度要求、管段臺(tái)階和管軸偏心影響等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是后兩者作為標(biāo)準(zhǔn)附件內(nèi)容,在各國(guó)“標(biāo)準(zhǔn)“中尚不多見(jiàn)，很有價(jià)值。雖然這些內(nèi)容是針對(duì)特定的渦街流量計(jì)，但是對(duì)其他渦街流量計(jì)也可參照。
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