NIST的管流速度型测量

        NIST(美国国家标准与技术研究院)水流量测量标准中的平均速度和湍流强度曲线的同步详细测量尚未完成。使用皮托管测量的平均速度曲线已经完成,但是超声波计量方法的最新进展已经表明,获得这些结果对更好地理解这种技术的前景是很重要的。

       此外,“流量计安装影响” 已经被美国和国外的一系列流量计量学家注意到,几乎所有计量技术都成为流量测量不确定性的重要来源。因此,NIST在1998年夏季和秋季与Dantec Dynamics公司签订合同,对NIST Flow Standard的8 inch(200mm)和10 inch(250mm)管道中的速度分布特征进行了测量(图1) 。本应用说明描述了所进行的实验以及在200mm管线中获得的显著结果。

图1:NIST的水流量计校准设备(8 inch(200mm)管线)正在准备用于LDA流动型线测量

挑战

      使用液体流量计设备的流量测量数据的溯源性是工程领域的一个重要问题,特别是在购买和销售有价值的流体(如石油和天然气)以及需要优化的关键工业过程的地方,例如电力和能源部门。很明显,不可能优化不受控制的过程,并且不能在没有测量的情况下进行控制。因此,流量测量在这些过程中至关重要,并且数据需要足够好,这意味着起源于流量标准,例如NIST一直为此目的进行工作。

       建立这种可追溯性的关键是在工业中使用的仪表的安装条件,即将流体输送到仪表的管道工程。当仪表在流量标准中校准时,需要复制这种情况。通常,要求输送到流量计的管道流动类型是与湍流状态,管道特性(直径和表面粗糙度)和流动条件(雷诺数等)相关的充分发展流动。这是NIST希望得到的测量条件。

       通常,用于建立液体流量测量标准和用于校准液体流量计的标准方法是NIST用于一系列管道尺寸的同步质量采集技术。这些“桶和秒表”类型的设施在整个流量测量界中被认为使“基本的”,因为它们不是由“更高精度的”设施校准的。基本上,由于他们的操作易于理解,并且所有组件的不确定性都经过评估以产生合理的不确定性预算,因此他们的结果在引用的不确定性范围内被接受。但是,在良好的流程实验室中,可以使用熟练测试技术与NIST进行比较,以验证所引用的不确定性,并为来自此类实验室的数据建立流量测量的溯源性。这种对NIST的可追溯性有助于文件编制,即在实际动态流量测量条件下量化实验室相对于NIST流量标准的测量性能水平。本质上,“桶和秒表”方法受到桶,管道尺寸范围以及泵能够提供的流量的限制。此外,相关仪表的性能 - 温度和密度将质量转换成体积也在不确定性的计算范围之内。然而,除了所有这些之外,对于合格的流量计量来说,记录设施运行条件下的管道流量型线非常重要。

        近年来,超声波流量计量方法已经充分发展,因此具有前瞻性的流量计量学家认为这些方法可能会发展成为“主要”流量测量标准。如果这样的话,它可以大大扩展从NIST或其他来源得到流量标准的范围。 NIST承担了通过在其流量计校准设施中测试单通和多通超声波传感器来研究评估超声波技术发展的可能性的任务。为了准确评估超声波传感器的性能,需要确定它们对典型管道流量配置的响应。这要求仔细测量速度分布形状和湍流属性,因为它们是超声波流量计精度的重要考虑因素。

 

系统结构

      用于研究的系统是二维FiberFlow BSA增强型激光多普勒速度计(LDA)。它包含了Dantec Dynamics的顶级信号处理器和软件,可完全控制数据采集,分析和管理。脉冲频谱分析仪(BSA)使用快速傅里叶变换(FFT)原理和多比特信号量化来改善湍流测量和噪声信号处理的性能。当靠近管壁测量时,这两种技术的优势是最有用的,其中由于来自表面散射的激光束反射引起的显著噪声主导原始信号。此外,BSA的14位分辨率和多带宽选择产生mm / s速度范围内的绝对分辨率。所用系统的光学配置详见表1。

 

表1 光学配置

激光功率

30mW Ar-Ion

光学器件

85 mm FiberFlow(2D)

扩散比

1:1.95

焦距

310mm

探头尺寸

直径~74mm

长度~700mm

测量细节

       建造了长约0.5m,内径与所研究的相应管流配置(10 inch或8 inch)相匹配的不锈钢管段,连接到现有设施中。具有直径为50.8mm的石英窗口,激光束通过该窗口进入流动中。将85mm2D探头安装在计算机控制的坐标架上,然后将其固定在测试部分上,使光束平分线与石英窗的表面垂直(图2)。

      工作流体是水,并且在流动中存在足够的天然存在的颗粒,不需要额外的加入示踪粒子。通过确定工作介质的横向移动的距离因子来校正探针体积定位的折射率的影响。

      沿着管道直径的水平和垂直方向的横向部分是通过旋转安装有LDA探针的特殊管段制成的,LDA探针相对于管道安装,如图3所示,在LDA探针垂直时拍摄。研究了低雷诺数和高雷诺数流动情况,在管道入口附近和远下游进行探测,以了解雷诺数对流动发展的影响。

图2:使用特殊管段制造的85mmLDA探头装置,其具有2英寸直径的平坦石英窗口,用于观察管道内部

图3:沿垂直直径测量的LDA探头设置(注意在照片的左前方校准的特殊多通道超声波流量计)

坐标系和激光束布置的示意图分别在图4和5中示出。速度变换用于确定沿管道坐标的速度。

图4:几何图形和坐标系示意图

图5:激光束定向和排列

​​​​​​​测量结果

       本文显示了几个案例的结果。所有案例显示管道最远壁面处于r / R = -1.0,而光片窗口处于r / R = 1.0。由于非常接近该窗口,平面窗和圆形管壁之间的不匹配导致的误差忽略不计。统计学上获得足够的样品以产生平均和更高阶矩的良好结果。此外,重复测量以确定测量可重复性。

图6:在所研究的两个开发位置处的高雷诺数流动案例的流向速度大小,Uz,(向量)和湍流强度,Tuz,(符号):入口附近的流动显示具有均匀速度大小和均匀低湍流强度的无涡流核心区域;在下游这个核心区域消失了

图7:在远下游位置8英寸管道中高雷诺数情况下的水平剖面结果

图8:在远下游位置8英寸管道中低雷诺数情况下的水平剖面结果

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