氣體渦輪流量計標定精度的分析

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)境污染越來越嚴重，為此大力發(fā)展然氣、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。燃氣事業(yè)的發(fā)展使燃氣貿(mào)易計量的準確性更加重要。因此，尋求高精度的計量儀表已成為燃氣貿(mào)易中的一個不可忽視的重要問題，而標定方法和標定系統(tǒng)的選擇是直接關系到流量計實際計量精度的關鍵。氣體渦輪流量計（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10：1至20：1）、重復性好等優(yōu)點。在國內(nèi)外燃氣、石油化工等行業(yè)得到了廣泛的使用。盡管渦輪表本身計量準確、精度高，但若出廠時對其標定不夠準確，則直接影響其計量精度。在國外每臺渦輪表投入使用前都一定要進行嚴格的標定，所用的標準裝置主要為“標準氣體渦輪流量計”、“音速噴嘴”、“鐘罩式標準計量器”、“標準滾筒氣體流量計”、“標準旋轉(zhuǎn)葉片氣體流量計”等，其中前3種為常用的標準裝置。為了保持其作為貿(mào)易結算依據(jù)及其公證性、準確性，提高氣體渦輪流量計標定精度成為迫在眉睫的任務。

2 影響標定精度的因素

2.1 標準裝置的影響                                   

簡要介紹3種標準裝置：

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

     音速噴嘴的流體力學原理是：當噴嘴上游側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（當以空氣為介質(zhì)時為0.528），則在噴嘴出口截面上氣流達到音速，并當壓比P1/P0繼續(xù)減少時，氣流速度仍保持音速不變，于是在連接有被標定流量計的系統(tǒng)中產(chǎn)生固定不變的臨界流量，再與所用時間相乘，可知通過標準裝置的體積數(shù)。因此可作為流量標準裝置來校驗流量計。理想條件下音速噴嘴的標定精度很高，但氣體是有粘性的，所以氣體通過噴嘴時，要產(chǎn)生能損失，因而造成標定誤差。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。

     鐘罩式標準計量器標定流量計的流量范圍受鐘罩容積大小的制約。當鐘罩體積較小時，測量過程中與待測表相比較的體積數(shù)就較小。則隨機誤差會加大，影響渦輪表大流量測試點的標定精度。設鐘罩容積為V容，下降時間約為1分鐘，則其所能測試的較大流量：

Q較大=60×V容（m3/h）

     另外，影響音速噴嘴、鐘罩式標準裝的標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。

     了解不同標準裝置的特點，就可在實際標定中選擇合適的標準裝置。在條件允許的情況下盡可能地選用高精度的標準裝置，因為標準裝置本身的精度和操作程序直接影響待測渦輪表的標定精度。

2.2 標定壓力與標定溫度的影響

2.2.1 渦輪表的流動特性

     當流量大于始動流量值后，隨著流量的增加，渦輪旋轉(zhuǎn)角速度也將加大。在測量范圍內(nèi)，流體產(chǎn)生的阻力矩T將成為影響流量計特性的主要困素。相對來說，由軸承及其它機械傳動部件摩擦產(chǎn)生的機械阻力矩就比較小了。以下討論中，假定機械阻力矩為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)將分別進行討論。

區(qū)分層流流動狀態(tài)和紊流流動狀態(tài)一定要引入雷諾數(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僅與儀表本身結構參數(shù)有關，而與流量Q、流體粘度μ等參數(shù)無關，可近似為常數(shù)。只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)K才真顯示了常數(shù)的性質(zhì)。儀表系數(shù)K為常數(shù)的這個區(qū)間，也就是該流量計的優(yōu)良測量范圍。

2.2.2 溫度、壓力的變化對標定精度影響的分析

    運動粘度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到紊流狀態(tài)這樣，渦輪表實際進入精度范圍的較小流量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到紊流狀態(tài)，這樣流量計實際進入精度范圍的較小流量Qamin將減小。

2.3 壓縮系數(shù)的變化對標定精度的影響

     壓縮系數(shù)Z是用來衡量實際氣體接近理想氣體程度的參數(shù)。通常標定溫度為常溫、標定壓力不會太高，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。對其進口處的速度分布尤為敏。進口流速的突變和流體的旋轉(zhuǎn)可使測量誤差達到不能允許的程度。在標定中，渦輪流量計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，進口處流體的旋轉(zhuǎn)采能要去除、或由于安裝流量計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，則不能保持測量值的精度。如果傳感器安裝位置不合適，則不能正確測量通過標準裝置及待測渦輪表的氣體的實際溫度、壓力值。且可能會影響氣體的流動狀態(tài)，導致渦輪表進口處的速度分布不均，從而影響標定的精度。

2.6 數(shù)據(jù)的分析處理對標定精度的影響

     因為氣體渦輪流量計是計量一段時間內(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，且標準裝置的示值與真值還是有點差異的，所以若不充分考慮氣體通過標準裝置、待測表時狀態(tài)的差異以及標準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定一般規(guī)定在下述流量進行，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，則該流量點取消。一般同量點至少測試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)，需增加試驗次數(shù)。對于每個流量再進行如下的數(shù)據(jù)分析，設：

V'、V 分別為時間t內(nèi)實際通過標準裝置和待測表的氣體體積；

V、Vc 分別為時間t內(nèi)標準裝置和待測表的體積示數(shù)；

P、Pc 分別為通過標準裝置和待測表的氣體較壓力；

TN、Tc 分別為通過標準裝置和待測表的氣體較溫度；

ZN、Zc 分別為通過標準裝置和待測的氣體壓縮系數(shù)；

△P 為待測表與標準裝置之間的氣體壓力差，△P=Pc - PN；

△T 為標準裝置與待測表之間的氣體溫度差，△T=TN - Tc；

fN 為在某流量點標準裝置的體積示數(shù)VN與實際通過他的氣體體積V' 相比所得的示值相對誤差。

fc 為在某流量點待測表的體積示數(shù)Vc與實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：

標準裝置

PNV'/TN=ZNmR                （3）

待測表

PcV/Tc=ZcmR                 （4）

  當△P、△T較小時，把一次項后的誤差計算舍去，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%；忽略標準裝置自身誤差的存在，造成的誤差為fN×100%，所以一定要考慮氣體通過標準裝置和待測表時溫度、壓力的差異以及標準裝置自身的誤差。

3 提高標定精度的方法

3.1 合理選擇標準裝置

    由于標準渦輪表本身的特點，它本身需要每年進行檢定，當需標定的渦輪表口徑較小時（小于100mm），就不宜選用渦輪表作為標準表。

  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大，所以音速噴嘴標準裝置只適合標定大流量、大口徑的渦輪表。保持喉徑的加工精度，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，還應在容器內(nèi)加裝攪拌機。

    一般用鐘罩來標定小口徑、小流量渦輪表，且選擇鐘罩時其容積一定要足夠大，以保持大流量點標定的精度。為了保持水質(zhì)的清潔，鐘罩內(nèi)的水應每天更換。當鐘罩鼓起后，為了使鐘罩內(nèi)氣體溫度均勻，鐘罩充滿氣后，應等待5min之后才能開始試驗。另外，鐘罩與音速噴嘴作為標準裝置還需利用空調(diào)、干燥器等設旋保持標定所需的標準環(huán)境。

3.2 去除標定壓力與標定溫度的影響

    標定裝置一定要立于空間足夠大的試驗室內(nèi)，保持標準裝置、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）。試驗室中的溫度變化不得較過20±5℃的溫度范圍。由于渦輪表進入精度的流量范圍與表壓及當?shù)氐拇髿鈮毫τ嘘P，所應明確指出標定時的表壓及當?shù)氐拇髿鈮毫Α?/p>

3.3 去除標定系統(tǒng)中管路設計方面的影響

    為了很好地去除旋轉(zhuǎn)流．應在渦輪表前安裝必要的直管段，且較好在渦輪表前加裝整流器，并保持管道及流量計密封墊片良好定位，不使突出。為了保持流體的正常流動特性，去除流量計后的各種管件、閥門的不良影響，流量計后也應保持至少5倍以上管道直徑的直管段。

3.4 去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、定時裝置等輔助設施，其精度一定要高于待測渦輪表所需精度l~2級，且安裝位置應合適。

3.5 數(shù)據(jù)的分析處理

    計算待測表的誤差一定要考慮氣體通過標準裝置和待測表時溫度、壓力的差異以及標準裝置自身的誤差。若忽略通過標準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的相對示值誤差。

4 結論

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

  （2）合理設計標定系統(tǒng)，保持氣體渦輪流量計有足夠的前后直管段，如受管線的限制使直管段長度不夠，則應在流量計前加裝整流器。氣質(zhì)較臟時，應加裝過濾器，避免雜質(zhì)對系統(tǒng)的影響。當氣質(zhì)的含水量較大時．應加裝脫水干燥裝置。

  （3）選擇優(yōu)良設計方案，選擇高精度的溫度、壓力傳感器、定時裝置等輔助設旋，其精度一定要高于待測渦輪表所需精度1~2級，將系統(tǒng)誤差降為較小。

  （4）嚴格按操作規(guī)程進行標定，滿足標定所需要的溫度、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準裝置、待測表時狀態(tài)的差異以及標準裝置自身的誤差。標準裝置應認真維護，并依照技術監(jiān)督局的規(guī)定定期進行檢定。

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