运用气体流量装置校准液体涡街流量计的探讨

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METROL0GY TEST TECHNOLOGY&VERlFlCATlON 重 定巷运用气体流量装置校准液体涡街流量计的探讨成 伟 。李 长武 ，张东飞(苏州市计量测试研究所，江苏 苏州 215218)[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。

[关键词]校准液体涡街流量计 ；K系数 ；气体流量标准装置[中图分类号]TH814 [文献标识码]B [文章编号]1002—1183 (2013)05—0015—041 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．厂，被测流体介质的平均速度为 ，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：厂=S。 ／)i=S × (1) 。 × ( )[收稿日期]2012—04—22[作者简介]成 伟 (1983一)，男，江苏泰兴人 ，量工作。

工业计量 2013年第 23卷第 5期图 1 涡街流量计原理图m - 一 【 ×]√ 一(告) +arcsin吾(2)式中： 为旋涡发生体两侧的平均流速，m／s；S 为斯特劳哈尔数，量纲为 f；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Z。

管道内流体的体积流量 g 为：孕= =．d - (3) g 丁 — 一 Ii} Lj
K： ：而4S,
md(4)吼 1T式中：K为涡街流量计的流量系数，P／m 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s 有关。斯特劳哈尔数 ．s 为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数 e有关；当Re为2 X 10 ～7×10时，Js 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，产生旋涡一 级注册计量师 ，南京航空航天大学工程硕士在读，从事能源计量和流量计· 15 ·线性区2x104 7x106图2 涡街流量计特性曲线图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 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JG643-2003《标准表法流量标准装置》；设计的流量范围为 (5—4800)m ／h，可对 DN25一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 J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。

⑧ 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)。

⑤ 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~C，大 气 压 为100．28kPa，根据流 量计使 用手 册查 表 9．5．5知：DY050流量计 (OMPa下，负压法)的最小流量和最大流量分别是：38．7m ／h和591m ／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 FLOWSPAN)改为 591。

⑥ 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． 16· Industrial Measurement 2013 Voi．23 No．5METR0LOGY TEST TECHNOLOGY＆VERIFICATlON 重 塞(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／m ，仪表线性度-4-0．41％，仪表重复性 0．23％，被校流量计符合 1．0级要求。

⑩ 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系数比较表注：DYA型涡街流量计，原K系数即为流量计出厂 K系数，出厂标定为液体装置标定。

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 系数与原出厂 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 X 10 ～7 X 10。)，S 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 s 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。

(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)mA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，需要输人密码 (ACCESSCODE)，出厂密码为72。

工业计量 2013年第 2l3卷第5期④ 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)。

⑤ 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。

④ 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100．28kPa，取空气密度为 1．205kg／In ，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：33．5m ／h和393．7m ／h。

⑥ 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 20mA=393．7”。

⑥ 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。

⑩ 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 g 正比于频率厂，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： 4S t
。

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· 17·性 图，见图 4。

METROLOGY TEST TECHNOLOGY ＆ VERlFICATlON图4 气体标定下 VSF的误差特性图文献 [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 4-1．0％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—p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。

图5 涡街流量计 ，(一Q特性曲线图[参考文献][1]JJG 1029-2007，涡街流量计检定规程 [S].

[2]苏彦勋，盛健，梁国伟 ．流量计量与测试 [M]．北京：中国计量出版社，1992，8：35—42.

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[4]朱德祥．流量仪表原理和应用 [M]．上海：华东化工学院出版社 ，1992，3：89—91.

[5]王池 ．流量测量不确定度分析 [M]．北京：中国计量出版社 ，2002，5：82—83.

[编辑：邓茂焕](上接第 8页)(3)从表 2和表 3中可以发现，分别用方法一和方法二计算得到的罐体总体倾斜度比较接近，但与传统方法测定的倾斜度相差较大；而在罐底测量的传统方法与方法三得到的低层圈板倾斜度比较一致。

(4)总体来讲，利用传统方法、方法一和方法二得到的单一立罐倾斜度，不能真实反映各圈板的实际倾斜情况，存在代表性误差。但相对传统方法和方法三来讲，方法一、特别是方法二，能较准确反映立罐轴线偏离铅垂线的大小情况，对立罐建造质量的评价与防倾覆的安全评估可以提供定量依据。

3 结论(1)利用全站仪水平扫描立罐圈板各截面圆圆周坐标的数据，在拟合计算圆周半径的同时，还能得到准确的圆心坐标。

(2)利用各圈板高 1／4和3／4处的水平截面圆圆心坐标差，可以计算立罐每个圈板各自的倾斜度。因· 18·此以单个圈板为单位，修正圈板倾斜对容量的影响，从理论上讲将更加严密，立罐容量倾斜修正也将更加准确。

(3)仅利用最高层截面圆与基圆圆心2点偏差计算的立罐倾斜度 (方法一)，或基于各圈板截面圆相对基圆的圆心偏差与高差之间的多点线性回归统计得到的立罐倾斜度 (方法二)，能总体反映立罐轴线偏离铅垂线的大小情况，可以用于立罐建造质量评价与防倾倒安全评估。

[参考文献][1]JJG 168-2005，立式金属罐容量 [S].

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国家计量检定规程容量宣贯会 ．郑州，2007．11.

[编辑：谢永善]Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5