摘要:消防水流量計(jì)在安裝和使用過程中往往存在直管段口徑與流量計(jì)通徑不完全一致的現(xiàn)象。選取CL系列和LWGY系列消防水流量計(jì)，在燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了上下游直管段不同口徑條件下的校準(zhǔn)試驗(yàn)，從而得到直管段口徑對(duì)消防水流量計(jì)K系數(shù)的影響。試驗(yàn)證明，直管段口徑所引入的誤差不可忽視，因此在使用或校準(zhǔn)消防水流量計(jì)時(shí)應(yīng)務(wù)必保證直管段口徑與流量計(jì)通徑一致。
流量是現(xiàn)代工業(yè)測量中的一個(gè)重要參數(shù)。消防水流量計(jì)具有測量精度高、量程范圍寬、重復(fù)性與動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)，廣泛用于流量測量領(lǐng)域，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)器、發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試車臺(tái)實(shí)驗(yàn)中均選用消防水流量計(jì)對(duì)燃油流量進(jìn)行測量。
消防水流量計(jì)的安裝要求較高，其上下游需有足夠長的直管段，同軸同口徑安裝。美國**標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)曾對(duì)上游安裝90°單彎頭和異面90°雙彎頭分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究，天津大學(xué)對(duì)上游彎頭和漸縮管對(duì)消防水流量計(jì)測量性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)消防水流量計(jì)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)和性能也進(jìn)行了相關(guān)研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)直管段長度對(duì)消防水流量計(jì)精度的影響進(jìn)行了分析。但是在消防水流量計(jì)的使用與檢定校準(zhǔn)過程中，上下游直管段的通徑往往不會(huì)與流量計(jì)的通徑完全一致，同樣會(huì)直接影響消防水流量計(jì)的準(zhǔn)確度和校準(zhǔn)結(jié)果，目前國內(nèi)尚未進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。本文選取了典型消防水流量計(jì)，進(jìn)行了消防水流量計(jì)變口徑管路試驗(yàn)。
1試驗(yàn)裝置
消防水流量計(jì)是一種流量測量儀表，流動(dòng)流體的動(dòng)力驅(qū)使渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度與體積流量近似成比例。通過流量計(jì)的流體體積值是以渦輪葉輪轉(zhuǎn)數(shù)為基準(zhǔn)的。消防水流量計(jì)主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成。使用儀表K系數(shù)或累積流量來計(jì)算流量計(jì)的示值誤差。

式中:K為儀表系數(shù)，m-3或L-1;N為流量計(jì)顯示儀表測得的脈沖數(shù);V為標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的實(shí)際體積，m3或L。
本次試驗(yàn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置為燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置采用體積管法，測量擴(kuò)展不確定度為U=0.05%(k=2)，其原理如圖1所示。

燃油動(dòng)態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理為:工作過程中電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體積管活塞左行，排出液體流經(jīng)控制閥門及被檢流量計(jì)后，經(jīng)過過濾器回到儲(chǔ)油箱;同時(shí)，儲(chǔ)油箱里的油經(jīng)過下游管段進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積管。
2試驗(yàn)內(nèi)容
研究中選擇常用的CL系列消防水流量計(jì)和LWGY系列消防水流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。分別選取DN4，DN6和DN10口徑的流量計(jì)，且均為0.5級(jí)。
圖2為本次試驗(yàn)消防水流量計(jì)的安裝示意圖，圖中D為被校消防水流量計(jì)的通徑，d為上下游直管段的內(nèi)壁直徑。依據(jù)JJG1037-2008《消防水流量計(jì)檢定規(guī)程》的要求，保證上下游的直管段與被校流量計(jì)同軸安裝，并且連接處的密封墊不得凸入流體管道內(nèi)，上游直管段長度為20D，下游直管段長度為10D。試驗(yàn)過程中，保證試驗(yàn)流體為單相液體，介質(zhì)為航空燃油ＲP-3。

消防水流量計(jì)安裝示意圖
在試驗(yàn)過程中，為每只流量計(jì)配制了7組不同口徑的直管段，對(duì)每只流量計(jì)進(jìn)行7次校準(zhǔn)測試。設(shè)K為消防水流量計(jì)通徑與直管段通徑的比值，則有

其中，0.75＜K＜1.2。在此基礎(chǔ)上，每次試驗(yàn)過程中，根據(jù)流量計(jì)的流量范圍，選取9個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)3次。流量計(jì)的銘*信息及直管段口徑選擇詳見表1。

3試驗(yàn)結(jié)果
選取h=1，即以上下游管路直徑與消防水流量計(jì)的口徑完全一致時(shí)消防水流量計(jì)的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，用KU表示，根據(jù)式(3)對(duì)其它工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化。

式中:E為其它工況與標(biāo)準(zhǔn)工況下的系數(shù)差值比;KU為標(biāo)準(zhǔn)工況下的儀表系數(shù)，m-3或L-1;Ki為其它工況下的儀表系數(shù)，m-3或L-1。
圖3～圖8分別為流量計(jì)的K系數(shù)曲線圖和無量綱化后的差值比曲線圖。
消防水流量計(jì)K系數(shù)曲線圖和K系數(shù)差值比曲線圖

從K系數(shù)曲線圖中可以看出，不同直管段口徑會(huì)影響儀表K系數(shù)，但是與儀表本身K系數(shù)的變化趨勢一致。



從K系數(shù)差值比曲線圖中可以看出，直管段通徑d與流量計(jì)通徑D的差值越大，則對(duì)K系數(shù)的影響越嚴(yán)重。對(duì)于CL系列消防水流量計(jì)，若d＜D，則儀表K系數(shù)會(huì)減小;若d＞D，則儀表K系數(shù)會(huì)增大;而對(duì)于LWGY系列消防水流量計(jì)，d的變化與儀表K系數(shù)之間無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。
通過式(4)對(duì)不同工況下儀表系數(shù)波動(dòng)Δ情況進(jìn)行計(jì)算。

式中:Kmax為同**量點(diǎn)下不同工況下儀表系數(shù)*大值;Kmin為同**量點(diǎn)下不同工況下儀表系數(shù)*小值。
從表2中可以得到，試驗(yàn)中系數(shù)*大相差2.7%之多，所選進(jìn)行試驗(yàn)消防水流量計(jì)*大允許誤差為0.5級(jí)，直管段口徑改變造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過流量計(jì)的*大允許誤差。

4結(jié)論
在消防水流量計(jì)的檢定校準(zhǔn)過程中，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室會(huì)保證直管段口徑與流量計(jì)口徑一致，而在實(shí)際使用過程中，直管段口徑往往很難滿足要求，因此直接應(yīng)用檢定校準(zhǔn)結(jié)果，勢必引入誤差。建議各單位在設(shè)計(jì)消防水流量計(jì)上下游管路時(shí)務(wù)必保證JJG1037-2008《消防水流量計(jì)檢定規(guī)程》中的安裝條件，對(duì)于高精度消防水流量計(jì)，必要時(shí)，應(yīng)當(dāng)將消防水流量計(jì)上下游直管段與流量計(jì)一同送至檢定單位，以減少直管段口徑和長度不同而引入的誤差。