彎管出口流速畸變對廢水流量計的影響

摘要：彎管出口流速分布的畸變要影響下游廢水流量計的測量值。電磁流量傳感器的安裝方式使其電極軸與彎管平面成45°角，可減緩擾流的影響。闡述了采用該方法的實驗過程、試驗數據和結論。
1、問題的提出
流體流過彎管后，下游產生流速分布畸變，若是兩只鄰近相接的不同平面彎管，除流速分布畸變外還會有漩渦。這些現象要影響裝在下游的大部分類型流量儀表（除容積式等少數類型外）的測量值，因此通常要求在流量儀表安裝點之前有一定長度直管段，改善進入儀表的流動狀況。廢水流量計受彎管影響較小，直管長度要求也遠低于節流差壓式、渦街式等其他流量儀表。但是當前廢水流量計精度為測量值的0.5%，甚至0.2%~0.4%，即使影響量較小，還是受到人們的關注。
除儀表前直管段可降低彎管影響外，人們還從安裝方式上設法降低影響的方法。文獻曾報道電磁流量傳感器電極軸線與鄰近彎管平面成45°傾斜安裝可以減少彎管影響。日本工業標準B7554“解說部分”列有電極軸線與彎管平面垂直、平行、成45°三種安裝方式，在不同長度直管下的測量誤差范圍，也說明這一效果。
2000年上海原水公司擬在已建成的某泵站加裝DN2200廢水流量計，但彎管下游安裝位置的前直管長度明顯不符合規定中5D~10D（D為管徑，下同）的要求，此時，影響測量誤差有多大呢?
由于受條件限制無法在現場用經典的測量方法（如流速計流速面積法）作比對試驗，以估計彎管影響附加誤差值。并且使用方必須在訂購之前就要知道附加誤差估計值，以決定設計方案。筆者按相似原理以較小口徑廢水流量計在實驗室模擬現場條件作試驗。試驗證明45°安裝可減小彎管影響.并求得該個案安裝條件下傳統安裝方式的影響值。
2、彎管下游流速分布影響
流體流過彎管由于離心力作用，靠外壁產生擴散效應，內壁產生收縮效應，由此產生橫向流動的二次流，引起下游產生速度分布畸變，如圖1所示。圖1中，右邊垂直剖面彎管外緣流速較快，水平剖面呈雙峰值流速分布。隨著液流離開彎管距離增加.畸變會趨于緩和。

當前絕大部分電磁流量傳感器是非均勻磁場分布結構設計。非均勻磁場理論認為包含電極的測量管橫截平面區域內，各微小液體體積元切割磁力線對電極間信號“所起作用”各異，因此不是均勻地而是按“所起作用”非均勻地設計各點磁場強度，使在理想條件下流速分布畸變不會影響流量測量值。然而實際儀表還是受到一些影響。圖2所示是日本工業標準所附彎管下游三種安裝方式不同直管長度的誤差范圍。

3、實驗
實流實驗是在上海光華·愛而美特儀器有限公司稱重法水流量標準裝置上進行。裝置的不確定度為0.011%，試驗儀表是DN100的IFM4080K型，按現場幾何尺寸比例縮小設置管道，如圖3所示夾裝到流量標準裝置上校驗。試驗結果如圖4所示。圖中“正常安裝”即按前置直管段長度大于等于10D，后置直管段長度大于等于5D安裝，其試驗數據即為參比值。廢水流量計滿度流量為150m3/h，實驗流速范圍0.32~5.3m/s，共做了5個流量點。

4 結論
1）在本試驗安裝條件下，流量傳感器電極軸在A=90°位置時最大誤差為-1.2%，A=0°位置時為+1.6%，A=45°位置時為0.5%；與正常安裝條件即參比值相比，最大附加誤差在A=90°時為-1.2%，A=0°時為+1.65%，A=45°時為+0.65%。
2）實驗證明電極軸線45°安裝比傳統水平安裝（A=0°）受彎管流動擾動影響有很大改善。
3）電磁流量傳感器在彎管下游即使有足夠長（5D）的直管段，亦應按“45°安裝”，作為減小彎管撓流影響，降低附加誤差的措施。

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