氣體渦輪流量計(jì)量表標(biāo)定精度的分析

發(fā)布：2018-12-18 | 點(diǎn)擊：人次

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摘要：分析影響氣體渦輪流量計(jì)標(biāo)定精度的各種因素，并提出了解決的方法。

關(guān)鍵字：渦輪流量計(jì) 標(biāo)定精度雷諾數(shù)

1 前言

由于生產(chǎn)的發(fā)展，煤碳、燃油的使用增加過快，造成環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，為此大力發(fā)展天然氣、煤氣、沼氣等清潔燃料的使用成為解決環(huán)境問題的一個重要手段，并且已取得了很大成效。燃?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展使燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的準(zhǔn)確性更加重要。因此，尋求高精度的計(jì)量儀表已成為燃?xì)赓Q(mào)易中的一個不可忽視的重要問題，而標(biāo)定方法和標(biāo)定系統(tǒng)的選擇是直接關(guān)系到流量計(jì)實(shí)際計(jì)量精度的關(guān)鍵。氣體渦輪流量計(jì)（以下簡稱“渦輪表”）是速度式的流量測量儀表，具有量程寬（量程比Qmax：Qmin可達(dá)10：1至20：1）、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)外燃?xì)?、石油化工等行業(yè)得到了廣泛的使用。盡管渦輪表本身計(jì)量準(zhǔn)確、精度高，但若出廠時對其標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，則直接影響其計(jì)量精度。在國外每臺渦輪表投入使用前都必須進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，所用的標(biāo)準(zhǔn)裝置主要為“標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計(jì)”、“音速噴嘴”、“鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器”、“標(biāo)準(zhǔn)滾筒氣體流量計(jì)”、“標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)葉片氣體流量計(jì)”等，其中前3種為常用的標(biāo)準(zhǔn)裝置。為了確保其作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)及其公證性、準(zhǔn)確性，提高氣體渦輪流量計(jì)標(biāo)定精度成為迫在眉睫的任務(wù)。

2 影響標(biāo)定精度的因素

2.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的影響

簡要介紹3種標(biāo)準(zhǔn)裝置：

標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計(jì)具有標(biāo)定精度高、標(biāo)定速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但隨著時間的推移，由于其內(nèi)部軸承及其他運(yùn)動部件的磨損會造成標(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身性能的改變，從而降低標(biāo)定精度。因此標(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身需要定期進(jìn)行標(biāo)定。且標(biāo)準(zhǔn)渦輪表口徑越小，通過氣體的流量越小，其精度受內(nèi)部運(yùn)動部件磨損的影響趨勢也越大。因此，當(dāng)需標(biāo)定的渦輪表口徑較小時（小于100mm），就不宜選用渦輪表作為標(biāo)準(zhǔn)裝置。

音速噴嘴的流體力學(xué)原理是：當(dāng)噴嘴上游側(cè)的氣體通過噴嘴流出時，若噴嘴后的壓力P1與噴嘴前的壓力P0之比P1/P0小于某臨界值時（當(dāng)以空氣為介質(zhì)時為0.528），則在噴嘴出口截面上氣流達(dá)到音速，并當(dāng)壓比P1/P0繼續(xù)減少時，氣流速度仍保持音速不變，于是在連接有被標(biāo)定流量計(jì)的系統(tǒng)中產(chǎn)生固定不變的臨界流量，再與所用時間相乘，可知通過標(biāo)準(zhǔn)裝置的體積數(shù)。因此可作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置來校驗(yàn)流量計(jì)。理想條件下音速噴嘴的標(biāo)定精度很高，但氣體是有粘性的，所以氣體通過噴嘴時，要產(chǎn)生能量損失，因而造成標(biāo)定誤差。誤差的大小與噴嘴形狀、幾何尺寸、表面加工質(zhì)量及流過喉徑的氣體雷諾數(shù)有關(guān)。

鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器標(biāo)定流量計(jì)的流量范圍受鐘罩容積大小的制約。當(dāng)鐘罩體積較小時，測量過程中與待測表相比較的體積數(shù)就較小。則隨機(jī)誤差會增大，影響渦輪表大流量測試點(diǎn)的標(biāo)定精度。設(shè)鐘罩容積為V容，下降時間約為1分鐘，則其所能測試的zui大流量：

Qzui大=60×V容（m3/h）

另外，影響音速噴嘴、鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)裝的標(biāo)定精度的因素還有容器內(nèi)氣體溫度在短時間內(nèi)不均勻，氣體的含水量過大。環(huán)境的溫度、濕度和壓力變化等。

了解不同標(biāo)準(zhǔn)裝置的特點(diǎn)，就可在實(shí)際標(biāo)定中選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)裝置。在條件允許的情況下盡可能地選用高精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)裝置本身的精度和操作程序直接影響待測渦輪表的標(biāo)定精度。

2.2 標(biāo)定壓力與標(biāo)定溫度的影響

2.2.1 渦輪表的流動特性

當(dāng)流量大于始動流量值后，隨著流量的增加，渦輪旋轉(zhuǎn)角速度也將增大。在測量范圍內(nèi)，流體產(chǎn)生的阻力矩T將成為影響流量計(jì)特性的主要困素。相對來說，由軸承及其它機(jī)械傳動部件摩擦產(chǎn)生的機(jī)械阻力矩就比較小了。以下討論中，假定機(jī)械阻力矩為0，則儀表系數(shù)：

K=B - C[T/ρQ2 ] （1）

式中：Q——管內(nèi)流體的流量；

B、C——常數(shù)。

由于在不同的流動狀態(tài)下，流體產(chǎn)生阻力的機(jī)理不同，效果也不同，所以對層流流動狀態(tài)和紊流流動狀態(tài)將分別進(jìn)行討論。

區(qū)分層流流動狀態(tài)和紊流流動狀態(tài)必須引入雷諾數(shù)（Re）的概念

Re=4Q/πdν （2）

式中：Q——管內(nèi)流體的流量；

d——管道直徑；

ν——管內(nèi)流體的運(yùn)動粘度。

通常Re≥2320是管內(nèi)流動由層流流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃訝顟B(tài)的判斷依據(jù)。

在層流流動狀態(tài)時，流體流動阻力矩T與流體動力牯度（也稱粘度）μ、流體流量Q成正比，即T=C1μQ。式中，C1為常數(shù)，代入式（1）可知：若粘度變化，則儀表系數(shù)K也隨之變化；若粘度不變．則K將隨流量的增加而增加。

在紊流流動狀態(tài)時，流體流動阻力矩T與流體密度和Q2成正比．此時可計(jì)流體粘度的影響．即T=C2ρQ2，式中，C2為常數(shù)，代入式（1）可知：在紊流流動狀態(tài)時，儀表系數(shù)K僅與儀表本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量Q、流體粘度μ等參數(shù)無關(guān)，可近似為常數(shù)。只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)K才真正顯示了常數(shù)的性質(zhì)。儀表系數(shù)K為常數(shù)的這個區(qū)間，也就是該流量計(jì)的優(yōu)質(zhì)測量范圍。

2.2.2 溫度、壓力的變化對標(biāo)定精度影響的分析

運(yùn)動粘度ν為動力粘度與流體密度ρ的比值。根據(jù)流體粘度與溫度之間的關(guān)系、雷諾數(shù)的定義及氣體狀態(tài)方程可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的提高，在同樣流量下雷諾數(shù)也增加。根據(jù)層流、紊流的判定條件可知：溫度的增加，使流體在較小流量即可達(dá)到紊流狀態(tài)這樣，渦輪表實(shí)際進(jìn)入精度范圍的zui小流量Qamin將減小。

而如果溫度不變，隨著壓力的提高．在同樣流量下雷諾數(shù)也增加。根據(jù)層流、紊流的判定條件可知：壓力的增加，使流體在較小流量即可達(dá)到紊流狀態(tài)，這樣流量計(jì)實(shí)際進(jìn)入精度范圍的zui小流量Qamin將減小。

2.3 壓縮系數(shù)的變化對標(biāo)定精度的影響

壓縮系數(shù)Z是用來衡量實(shí)際氣體接近理想氣體程度的參數(shù)。通常標(biāo)定溫度為常溫、標(biāo)定壓力不會太高，可以不考慮Z的影響。

2.4 速度分布畸變對標(biāo)定精度的影響

渦輪表是速度式的流量測量儀表，其儀表特性直接受氣體流動狀態(tài)的影響。對其進(jìn)口處的速度分布尤為敏感。進(jìn)口流速的突變和流體的旋轉(zhuǎn)可使測量誤差達(dá)到不能允許的程度。在標(biāo)定中，渦輪流量計(jì)之前一般有若十倍管道直徑的直管段，但往往由于直管段長度不夠，進(jìn)口處流體的旋轉(zhuǎn)采能徹底消除、或由于安裝流量計(jì)時密封墊片突出而改變了流體和渦輪葉片之間的角度，這些影響往往使儀表常數(shù)變化2%或更多。

2.5 輔助測量裝置對標(biāo)定精度的影響

數(shù)據(jù)的正確采集依賴于溫度、壓力傳感器、定時器、脈沖計(jì)數(shù)器的選取及安裝位置的確定。如果傳感器精度不夠，則不能保證測量值的精度。如果傳感器安裝位置不合適，則不能正確測量通過標(biāo)準(zhǔn)裝置及待測渦輪表的氣體的實(shí)際溫度、壓力值。且可能會影響氣體的流動狀態(tài)，導(dǎo)致渦輪表進(jìn)口處的速度分布不均，從而影響標(biāo)定的精度。

2.6 數(shù)據(jù)的分析處理對標(biāo)定精度的影響

因?yàn)闅怏w渦輪流量計(jì)是計(jì)量一段時間內(nèi)通過他的氣體的體積數(shù)，而氣體體積又受壓力、溫度等因素的影響，且標(biāo)準(zhǔn)裝置的示值與真值還是有點(diǎn)差異的，所以若不充分考慮氣體通過標(biāo)準(zhǔn)裝置、待測表時狀態(tài)的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差等因素，所造成的誤差將會很大。

對于渦輪表示值精度的標(biāo)定一般規(guī)定在下述流量進(jìn)行，即Qmin 、0.05 Qmax、0.1 Qmax、0.25 Qmax、0.4 Qmax、0.7 Qmax和Qmax。若0.05 Qmax和0.1 Qmax小于Qmin，則該流量點(diǎn)取消。一般同*量點(diǎn)至少測試3次，取2次相近數(shù)據(jù)的平均值為測量值。若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，需增加試驗(yàn)次數(shù)。對于每個流量再進(jìn)行如下的數(shù)據(jù)分析，設(shè)：

V'、V 分別為時間t內(nèi)實(shí)際通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體體積；

V、Vc 分別為時間t內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的體積示數(shù)；

P、Pc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體絕對壓力；

TN、Tc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體絕對溫度；

ZN、Zc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測的氣體壓縮系數(shù)；

△P 為待測表與標(biāo)準(zhǔn)裝置之間的氣體壓力差，△P=Pc - PN；

△T 為標(biāo)準(zhǔn)裝置與待測表之間的氣體溫度差，△T=TN - Tc；

fN 為在某流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)裝置的體積示數(shù)VN與實(shí)際通過他的氣體體積V' 相比所得的示值相對誤差。

fc 為在某流量點(diǎn)待測表的體積示數(shù)Vc與實(shí)際通過他的氣體體積V相比所得的示值相對誤差。

由氣體狀態(tài)方程可得：

標(biāo)準(zhǔn)裝置

PNV'/TN=ZNmR （3）

待測表

PcV/Tc=ZcmR （4）

當(dāng)△P、△T較小時，把一次項(xiàng)后的誤差計(jì)算舍去，由上式可知：忽略△P的存在，造成的誤差為（△P/PN）×100%；忽略△T的存在，造成的誤差為（△T/TN）×100%；忽略標(biāo)準(zhǔn)裝置自身誤差的存在，造成的誤差為fN×100%，所以必須考慮氣體通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表時溫度、壓力的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差。

3 提高標(biāo)定精度的方法

3.1 合理選擇標(biāo)準(zhǔn)裝置

由于標(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身的特點(diǎn)，它本身需要每年進(jìn)行檢定，當(dāng)需標(biāo)定的渦輪表口徑較小時（小于100mm），就不宜選用渦輪表作為標(biāo)準(zhǔn)表。

鑒于流量越小，雷諾數(shù)越小，則忽略氣體粘性造成的誤差越太，所以音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置只適合標(biāo)定大流量、大口徑的渦輪表。保證喉徑的加工精度，選擇高精度的時間測量裝置都是十分必要的。為使容器氣體溫度盡快均勻穩(wěn)定，還應(yīng)在容器內(nèi)加裝攪拌機(jī)。

一般用鐘罩來標(biāo)定小口徑、小流量渦輪表，且選擇鐘罩時其容積一定要足夠大，以保證大流量點(diǎn)標(biāo)定的精度。為了保證水質(zhì)的清潔，鐘罩內(nèi)的水應(yīng)每天更換。當(dāng)鐘罩鼓起后，為了使鐘罩內(nèi)氣體溫度均勻，鐘罩充滿氣后，應(yīng)等待5min之后才能開始試驗(yàn)。另外，鐘罩與音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)裝置還需利用空調(diào)、干燥器等設(shè)旋保證標(biāo)定所需的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。

3.2 消除標(biāo)定壓力與標(biāo)定溫度的影響

標(biāo)定裝置必須立于空間足夠大的試驗(yàn)室內(nèi)，保證標(biāo)準(zhǔn)裝置、待測渦輪表不在單方向受熱（如太陽的輻射、加熱器或其他熱源）。試驗(yàn)室中的溫度變化不得超過20±5℃的溫度范圍。由于渦輪表進(jìn)入精度的流量范圍與表壓及當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫τ嘘P(guān)，所應(yīng)明確指出標(biāo)定時的表壓及當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Α?/p>

3.3 消除標(biāo)定系統(tǒng)中管路設(shè)計(jì)方面的影響

為了有效地消除旋轉(zhuǎn)流．應(yīng)在渦輪表前安裝必要的直管段，且zui好在渦輪表前加裝整流器，并保證管道及流量計(jì)密封墊片良好定位，不使突出。為了保證流體的正常流動特性，消除流量計(jì)后的各種管件、閥門的不良影響，流量計(jì)后也應(yīng)保證至少5倍以上管道直徑的直管段。

3.4 消除輔助測量裝置方面的影響

選擇高精度的溫度、壓力傳感器、定時裝置等輔助設(shè)施，其精度必須高于待測渦輪表所需精度l~2級，且安裝位置應(yīng)合適。

3.5 數(shù)據(jù)的分析處理

計(jì)算待測表的誤差必須考慮氣體通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表時溫度、壓力的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差。若忽略通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體壓縮系數(shù)的差異，可求得待測渦輪表在某*量點(diǎn)的相對示值誤差。

4 結(jié)論

（1）標(biāo)定小口徑、小流量的渦輪表應(yīng)選用鐘罩標(biāo)準(zhǔn)裝置，標(biāo)定大口徑、大流量的渦輪表應(yīng)選用音速噴嘴，對于口徑為100mm以及大于100mm的渦輪流量計(jì)也可選用標(biāo)準(zhǔn)渦輪表作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，但每年需重新檢定1次。

（2）合理設(shè)計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)，保證氣體渦輪流量計(jì)有足夠的前后直管段，如受管線的限制使直管段長度不夠，則應(yīng)在流量計(jì)前加裝整流器。氣質(zhì)較臟時，應(yīng)加裝過濾器，避免雜質(zhì)對系統(tǒng)的影響。當(dāng)氣質(zhì)的含水量較大時．應(yīng)加裝脫水干燥裝置。

（3）選擇優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)方案，選擇高精度的溫度、壓力傳感器、定時裝置等輔助設(shè)旋，其精度必須高于待測渦輪表所需精度1~2級，將系統(tǒng)誤差降為zui小。

（4）嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行標(biāo)定，滿足標(biāo)定所需要的溫度、壓力、濕度等環(huán)境條件。

（5）正確處理數(shù)據(jù)，充分考慮氣體通過標(biāo)準(zhǔn)裝置、待測表時狀態(tài)的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差。標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)認(rèn)真維護(hù)，并依照技術(shù)監(jiān)督局的規(guī)定定期進(jìn)行檢定。

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