氣體渦輪流量計K-qv曲線特性研究

陳文琳，劉敦利

新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院 （新疆 烏魯木齊 830011）

氣體渦輪流量計具有精度高、測量范圍寬、重復(fù)性好、壓力損失小、耐高壓、多種顯示方式、安裝維修方便、耐腐蝕等優(yōu)點[1]，已被廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易結(jié)算計量，甚至還作為量值傳遞的標準儀表[2]。

根據(jù)其計量原理，流量計的傳感器應(yīng)有一個經(jīng)標準裝置檢定給出的儀表系數(shù)，其精度和流量范圍必須滿足流量計技術(shù)規(guī)范的要求，正確的儀表系數(shù)值是保證流量計計量精度的最基本保證。在理想狀態(tài)下，也就是假定渦輪處于勻速運動的平衡狀態(tài)，機械摩擦阻力矩和流體阻力矩都足夠小甚至可以忽略不計的狀態(tài)，儀表系數(shù)與流量的關(guān)系為（1）式[3]：

式中：f為脈沖頻率；qv為流體體積流量；Z為渦輪葉片數(shù)；θ為葉片結(jié)構(gòu)角；A為流通截面積；r為葉片平均半徑。

可見，理想特性僅與渦輪流量計的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流體的流動狀況無關(guān)，儀表系數(shù)為一個常數(shù)，在K-qv圖上為一平行于橫軸的直線。

在已報道的很多文獻及書籍中，作者都通過建立數(shù)學(xué)模型來對氣體渦輪流量計的工作特性進行較為詳細地分析與描述[1,3-4]。但在實際應(yīng)用的過程中，儀表系數(shù)K與流量qv之間呈現(xiàn)出來的關(guān)系究竟是否符合已有的結(jié)論呢？而對于標稱流量范圍之外，尤其是當實際流量超出標稱流量上限后，儀表系數(shù)與流量之間的關(guān)系又呈現(xiàn)什么樣的狀態(tài)呢？目前這方面還鮮有人進行研究。對此基于以下實驗進行相關(guān)分析。

1 實驗方案

1.1 環(huán)境條件

溫度24～25℃，相對濕度 30%～35%，大氣壓力94～95kPa，采用表后取壓。

1.2 實驗設(shè)計

實驗選用了1臺某公司生產(chǎn)的TBQZ-80C型DN80的氣體渦輪流量計，其標稱流量范圍為20～400m3/h，精度等級為1.0級。由于實驗是研究性的而不是對流量計的檢定，并考慮到實驗用臨界流噴嘴氣體流量標準裝置實際情況，將流量檢定范圍確定為[5]：1m3/h～1.5qmax，即 1～600m3/h。 在流量范圍內(nèi)均勻選取35個流量點，共進行188組實驗，得到的流量計K-qv曲線如圖1所示。

圖1 實驗得渦輪流量計K-qv特性曲線

2 數(shù)據(jù)分析

由表1實驗數(shù)據(jù)知，在1m3/h時無信號輸出，2m3/h時開始有流量，說明其始動流量在1～2m3/h之間[6]。在流量計的流量大于始動流量而小于傳感器流量下限的情況下，儀表系數(shù)K隨著流量qv的增大而迅速增大，此時流體處于層流流動狀態(tài)，其特性受軸承摩擦力、流體黏性阻力影響較大[3]；當流量低于0.8qmin時，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化，其測量誤差在流量計的允差范圍外，儀表系數(shù)本身不準確，不能作為實際檢測流量。

儀表系數(shù)K在30m3/h處出現(xiàn)峰值，該點為層流與紊流的交界點，在此之后流體處于紊流狀態(tài)，儀表系數(shù)則開始呈現(xiàn)出常數(shù)的特征，當流體黏度確定時，儀表系數(shù)與傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)；而在qmax～1.5qmax的流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)仍然具有非常好的穩(wěn)定性。具體儀表系數(shù)及線性度、重復(fù)性列于表1。

依據(jù) JJG 1037-2008《渦輪流量計》國家計量檢定規(guī)程，渦輪流量計的儀表系數(shù)K、線性度EL和重復(fù)性Er分別定義為：

式中：(Er)i為第i個測量點的系數(shù)重復(fù)性；Ki為第i個流量點的平均儀表系數(shù)；n為第i個流量點的測量次數(shù)；Kij為第i個流量點第j次測量得到的儀表系數(shù)值為流量計儀表系數(shù)值；(Ki)max為各流量點系數(shù)Ki中最大值；(Ki)min為各流量點系數(shù)Ki中最小值；EL為線性度。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在qmin～0.2qmax的流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)出現(xiàn)峰值，線性度為0.590%，重復(fù)性為0.069%，其測量誤差已在允差范圍內(nèi)（±2%），符合流量計精度要求；在0.2qmax～1.5qmax的流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，尤其是在qmax～1.5qmax的流量范圍內(nèi)，線性度僅為0.109%，重復(fù)性高達0.046%，儀表系數(shù)變化幅度非常小，流量計的測量準確度就非常高。

表1 不同流量范圍內(nèi)的儀表系數(shù)及線性度、重復(fù)性

3 結(jié)論與討論

實驗通過對不同流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)與流量關(guān)系的研究，可以看出，渦輪流量計儀表系數(shù)可以分為兩段[7]即線性段和非線性段。非線性段內(nèi)儀表系數(shù)隨流量變化有較大變化，線性段儀表系數(shù)也有一定變化，但幅度非常小。而在qmax～1.5qmax的范圍內(nèi)，儀表系數(shù)仍然處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。該實驗結(jié)論是其他研究中沒有涉及到的，對渦輪流量計的實際應(yīng)用具有一定的參考意義。

從流量計的使用壽命方面考慮，對于每日儀表實際運行時間不超過8h的斷續(xù)工作場合，選擇實際使用時最大流量的1.3倍作為流量范圍上限，對于每日儀表實際運行時間不低于8h的連續(xù)工作場合，選擇實際使用時最大流量的1.4倍作為流量范圍上限，而儀表下限流量以實際使用最小流量的0.8倍為合適[8]。本次實驗結(jié)果也證明在這些流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)是符合檢測精度要求的。

[1]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試[M].2版.北京：中國計量出版社，2007.

[2]陳佳.如何提高渦輪流量計的計量準確性[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011，10(4)：111.

[3]蘇彥勛，楊有濤.流量檢測技術(shù)[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[4]楊彤.氣體渦街流量計和渦輪流量計儀表系數(shù)實驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[5]JJG 1037-2008渦輪流量計檢定規(guī)程[S].

[6]薛春玲，應(yīng)啟戛.氣體渦輪流量計使用中兩個重要問題的解答[J].自動化儀表，2005，26(1)，58-59.

[7]呂寒英，王東.氣體渦輪流量計應(yīng)用探討[J].工業(yè)計量，2004（增刊），83-86.

[8]丁巧.氣體渦輪流量計的選型和使用[J].中國計量，2005(1)：55-56.