新型氣體羅茨流量計(jì)的壓損測量

張國玉,蘇中地,林景殿

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江蒼南儀表集團(tuán)有限公司,浙江 蒼南 325800)

新型氣體羅茨流量計(jì)的壓損測量

張國玉1,蘇中地1,林景殿2

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江蒼南儀表集團(tuán)有限公司,浙江 蒼南 325800)

壓損是衡量氣體羅茨流量計(jì)性能指標(biāo)的一個(gè)重要的參數(shù).首先介紹氣體羅茨流量計(jì)這一種新型的轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)方法，然后利用多種測量壓損實(shí)驗(yàn)裝置對這種新型氣體羅茨流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行測量,得到了一系列的數(shù)據(jù).通過比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值在允許誤差范圍,符合預(yù)期設(shè)想,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性與優(yōu)越性.

羅茨流量計(jì);轉(zhuǎn)子型線;壓損

氣體羅茨流量計(jì)又稱氣體腰輪流量計(jì),從開始使用到現(xiàn)在已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史,其因精度高、量程范圍寬、體積小、重量輕、安裝方便、使用可靠和壽命長等特點(diǎn),被廣泛用在氣體流量測量中.

而在氣體羅茨流量計(jì)中,腰輪轉(zhuǎn)子是羅茨流量計(jì)的核心部件,國內(nèi)外對其開展了大量研究.劉坤等[1]使用計(jì)算機(jī)編程的方法,對圓弧包絡(luò)線的生成和性質(zhì)進(jìn)行了研究,并將其應(yīng)用的原理進(jìn)行分析,使用CAD技術(shù)通過作圖法對轉(zhuǎn)子型線進(jìn)行了優(yōu)化.龔中偉[4]介紹了腰輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),分析了原油外輸過程中易出現(xiàn)的問題,并給出了相應(yīng)的建議.虞慶文[5]通過對腰輪流量計(jì)在制造過程中的誤差以及在使用過程中泄漏量、油品粘度和溫度以及油質(zhì)等因素對測量精確度的影響分析,提出了消除和減少計(jì)量誤差的辦法.魏學(xué)勤和劉興蓉[6]分析指出粘度、溫度、壓力和流量等因素會(huì)影響腰輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度,并依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況提出具體做法.劉秀東等[7]通過對國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)以及美國標(biāo)準(zhǔn)的比對,為國內(nèi)氣體腰輪流量計(jì)產(chǎn)品的開發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).林克努[8]在研究壓力損失與儀表誤差之間關(guān)系和預(yù)測壓力損失過程中,使用不同容量的羅茨流量計(jì)進(jìn)行各種流體的壓力損失實(shí)驗(yàn),推導(dǎo)得出了壓力損失與運(yùn)動(dòng)粘度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式.STEPHEN[9]研究了不同流量計(jì)的壓力損失情況,提出比壓來對不同的流量計(jì)進(jìn)行比較.

腰輪轉(zhuǎn)子的類型中有三葉型、兩葉型,但是其主要類型是兩葉型.兩葉型中又主要有圓弧型、漸開線型、擺線型.現(xiàn)有的主要葉型是圓弧型,有部分專家對其進(jìn)行優(yōu)化,在圓弧型的基礎(chǔ)上添加了漸開線和擺線以及包絡(luò)線,使得結(jié)構(gòu)更加合理,性能更加成熟.

本文主要采用的是圓弧與漸開線的配合,但采用的是多段圓弧以及包絡(luò)線配合,通過對新型的氣體羅茨流量計(jì)進(jìn)行壓損測量,得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,對于口徑為50 mm的傳統(tǒng)的羅茨流量計(jì)的壓損值不能超過800 Pa,本文通過實(shí)驗(yàn)測得此新型羅茨流量計(jì)的壓損值,與一般的羅茨流量計(jì)的壓損值進(jìn)行比較,論證新型羅茨流量計(jì)的優(yōu)越性.

1 轉(zhuǎn)子型線的分析

圖1是新型型線的1/4曲線,這種型線的的結(jié)構(gòu)由4段圓弧AB、BC、CD、DE,包絡(luò)線EF,和圓弧FG組成.朱超穎等[10]使用Solidworks得到了此結(jié)構(gòu)的完整型線,并對此結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的說明,在面積系數(shù)上,與傳統(tǒng)的羅茨型線進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了新型羅茨型線的優(yōu)越性.

圖1 新型腰輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子型線Figure 1 Rotor profile of new type Roots flowmeter

圖2是利用上述1/4轉(zhuǎn)子型線通過左右、上下對稱得到的完整的轉(zhuǎn)子型線.

圖2 完整的轉(zhuǎn)子型線Figure 2 Complete rotor profile

2 實(shí)驗(yàn)器材與裝置

為了檢測新型氣體羅茨流量計(jì)的性能,通過不同的流量測量裝置對氣體羅茨流量計(jì)進(jìn)行壓損測量實(shí)驗(yàn).此次實(shí)驗(yàn)分別使用了量程為0～10 kPa、采樣率為1次/h至1 000次/s可調(diào)、綜合精度為0.1%的高精度的CY200數(shù)字壓力傳感器,0.25級LJQ-2 000鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,綜合不確定度優(yōu)于0.5%、可測量范圍為5～4 000 m3/h.裝置準(zhǔn)確度等級為0.25級、可測流量計(jì)通徑DN25～200的LXH-7 000臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,精度等級為0.25級IMCC2000標(biāo)準(zhǔn)表檢測裝置等裝置.

本次實(shí)驗(yàn)被檢測羅茨流量計(jì)是浙江蒼南儀表集團(tuán)有限公司此型線設(shè)計(jì)的口徑為50 mm的氣體羅茨流量計(jì).

為了確保本次實(shí)驗(yàn)器材的可靠性,我們在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中利用差壓計(jì)對數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行了校正.通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率,送入不同的速度的風(fēng),在實(shí)驗(yàn)區(qū)同時(shí)用微差壓器和數(shù)字壓力傳感器測量同一點(diǎn)的壓力,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.

表1 風(fēng)洞校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)微差壓計(jì)與數(shù)字傳感器的壓力值

被測試的數(shù)字壓力傳感器型號是SwemaMan 60 Micromanometer,量程是300～5 000 Pa,精確度為0.1 Pa.

通過表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以看到,微差壓計(jì)與傳感器通道2壓力值是很接近的,而傳感器通道1與傳感器通道2相差的壓力基本在平均值28.8 Pa的上下變化,正負(fù)范圍約2 Pa.

3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本次實(shí)驗(yàn)采用的是鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對氣體腰輪流量計(jì)進(jìn)行前后壓力測量.在腰輪流量計(jì)的進(jìn)出口位置裝有數(shù)字傳感器,測出進(jìn)出口壓力,求得數(shù)字傳感器測出的壓損值.實(shí)驗(yàn)過程中在氣體羅茨流量計(jì)的進(jìn)出口的位置連接三通管,一端連接數(shù)字傳感器的測壓線路,一端連接原始流量檢測裝置的測壓管路.啟動(dòng)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,調(diào)節(jié)流量值,使其通過氣體羅茨流量計(jì)的流量值分別接近100、90、80、70、60、50、40、30、20、15、10、8、5、3、2、1.5、1、0.65 m3/h,記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).然后分別啟動(dòng)臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,設(shè)定流量值,使其通過腰輪流量計(jì)流量值接近100、70 m3/h,記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

氣體羅茨流量計(jì)單只腰輪轉(zhuǎn)子損失特點(diǎn)符合管道損失特點(diǎn),因此可以借鑒管道損失作為氣體羅茨流量計(jì)單只腰輪損失理論值,而管道損失公式為[11]

ΔP=1.28×ρv2.

(1)

其中:ρ為空氣密度,kg/m3;v近似為腰輪轉(zhuǎn)子最大線速,m/s.而

v=2πrf×10-3.

(2)

其中:r為轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)到中心距離為0.044 64 m,f為頻率值.

已知單個(gè)脈沖氣體通過羅茨流量計(jì)的體積為VA=176.905 547 6 L,則脈沖數(shù)N與單位時(shí)間流量值V和單個(gè)脈沖氣體通過羅茨流量計(jì)的體積VA關(guān)系如下:

(3)

其中:氣體腰輪流量計(jì)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)有四個(gè)脈沖,則頻率值

f=N/4.

(4)

通過上式我們可以求出相應(yīng)的N,f和單個(gè)的轉(zhuǎn)子的理論壓損值ΔP,如表2.

表2 羅茨流量計(jì)單個(gè)轉(zhuǎn)子的壓損值

(續(xù)表2)

圖3 實(shí)驗(yàn)與理論壓損值Figure 3 Pressure loss of experimental measurements and theory

在表2中,單個(gè)轉(zhuǎn)子隨著流量的不斷減小,其單個(gè)轉(zhuǎn)子的理論壓損值也相應(yīng)的減小.由于每個(gè)流量表腔體內(nèi)含兩個(gè)轉(zhuǎn)子,將表中的單個(gè)轉(zhuǎn)子的理論數(shù)據(jù)乘以2轉(zhuǎn)換成氣體羅茨流量計(jì)理論值后,通過最小二乘擬合二次式后得到的理論的參考壓損值與實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)和鐘罩流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成如圖3所示的示意圖.由圖3可知,氣體羅茨流量計(jì)最大的壓力損失值不超過400 Pa.在大流量時(shí),鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓損值更接近理論參考值;在中等流量時(shí),數(shù)字傳感器的值更接近理論參考值;在小流量時(shí)，鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓損值和數(shù)字傳感器的壓損值與理論參考值偏差都比較大.這主要是因?yàn)樵诖罅髁繒r(shí),氣體的流速較快,鐘罩的測壓相對于數(shù)字傳感器測壓更加穩(wěn)定,而在中等流速時(shí),數(shù)字傳感器明顯有較強(qiáng)的測壓優(yōu)勢,數(shù)字傳感器測出的值與理論值相差不大.在小流量時(shí),由于管路損失、機(jī)械損失等損失所占的比重較大,其真實(shí)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其理論值,故在小流量時(shí),壓損值測量不準(zhǔn)確,誤差較大.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性,再次使用音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等多種方法對其在大流量時(shí)的壓力損失作進(jìn)一步測量.表3和表4給出了流量值為100 m3·h-1和70 m3·h-1時(shí)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力損失值.

表3 Q=100 m3·h-1壓損值

表4 Q=70 m3·h-1壓損值

由以上結(jié)果可以看出,不同的儀器測量出來的壓損值不盡相同,同一裝置在不同環(huán)境下測量出來的壓損值也不完全相同.鐘罩相對于傳感器的測量值與噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)表相比,明顯偏小.造成這種結(jié)果的原因可能有:1)在大流量時(shí),噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的巨大波動(dòng)對實(shí)驗(yàn)影響較大,產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差較大.2)儀器結(jié)構(gòu)上不夠完善或儀器未經(jīng)很好校準(zhǔn)等原因而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.3)實(shí)驗(yàn)儀器由于環(huán)境溫度、濕度、電源電壓不穩(wěn)定、振動(dòng)等因素也會(huì)產(chǎn)生微小變化而造成偶然誤差,這些因素的影響一般是微小的,而且難以確定某個(gè)因素產(chǎn)生的具體影響的大小,一般情況下難以排除.

5 結(jié) 語

本文介紹了一種新型的氣體羅茨流量計(jì),其轉(zhuǎn)子型線是由多段圓弧與漸開線構(gòu)成.使用了三種氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對氣體羅茨流量計(jì)的壓損進(jìn)行了測量,在大流量時(shí)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相對誤差較小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)流量較小時(shí),壓力損失實(shí)驗(yàn)值與理論值偏差較大,這是由于在流量較小時(shí),壓力損失不僅包含管道損失,還存在機(jī)械損失.新型的氣體羅茨流量計(jì)最大壓力損失值不超過400 Pa,與傳統(tǒng)的氣體羅茨流量計(jì)壓力損失值800 Pa相比有明顯的優(yōu)勢;同時(shí)在大流量時(shí),壓力損失的實(shí)驗(yàn)值與管道損失理論值基本能重合,這驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可靠性.

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Measurement of pressure loss of a new gas Roots flowmeter

ZHANG Guoyu, SU Zhongdi, LIN Jingdian
(1. College of Metrology and Measurement Engineering, China University of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Cangnan Instrument Group Co., Ltd, Zhejiang Cangnan 325800, China)

Pressure loss is an important parameter of the gas Roots flowmeter performance. The design method of the new rotor model was introduced. Pressure loss experiments were carried out to test the gas Roots flowmeter with several pressure loss test devices. The experimental result is consistent with the theoretical value within range of the permissible error. It verified the rationality and superiority of the new design.

Roots flowmeter; rotor profile; pressure loss

2096-2835(2017)01-0035-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.006

2016-10-18 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

張國玉(1990- ),男,湖北省武穴人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的數(shù)值模擬. E-mail:zhangguoyuabc@163.com 通信聯(lián)系人：蘇中地,男,教授.E-mail:suzhongdi@cjlu.edu.cn

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