氣體渦輪流量計的精度探討

(廣州能源檢測研究院 廣東 廣州 511447)

一、引言

儀器的精度一般有準(zhǔn)確度、正確度和精密度。準(zhǔn)確度A是檢測真實(shí)值和結(jié)果二者的相同程度，并且由A=ε±U表示，其中U是不確定性系統(tǒng)誤差±e和隨機(jī)不確定度ΔM綜合的不確定性。精度是測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差程度。由于系統(tǒng)誤差E包括兩部分，確定的系統(tǒng)誤差和未定義的系統(tǒng)誤差±e，所以精度可以表示為E=±e。測量精度高，精度等級可達(dá)1級、1.5級。測量范圍寬度，測量范圍寬度一般為1：20。

二、機(jī)械摩擦與流體阻力對精度的影響

(一)氣體渦輪流量計的數(shù)學(xué)模型

用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般分為由流過渦輪機(jī)的流體產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tr。

由渦輪機(jī)表面流動的流體引起的粘性摩擦以及渦輪機(jī)軸和軸承，齒輪和齒輪施加到渦輪機(jī)的機(jī)械摩擦力矩Trm。當(dāng)流體通過渦輪機(jī)時流向渦輪機(jī)的流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf和渦輪機(jī)中的磁電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁反沖轉(zhuǎn)矩Tre。

(二)機(jī)械摩擦阻力矩Trm對精度的影響

對于真正的氣體渦輪機(jī)流量計，渦輪機(jī)必須首先通過靜摩擦的阻礙力矩才能旋轉(zhuǎn)，克服渦輪靜摩擦扭矩所需的最小值稱為流量計的初始流量qvmin。如果流量計小于qvmin，則渦輪不會旋轉(zhuǎn)，并且不會輸出脈沖信號。當(dāng)流量等于起始流量時，渦輪機(jī)啟動，但此時的角速度非常小，并且流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf的影響可忽略不計。

(三)流體阻力矩Trf對精度的影響

當(dāng)流量大于初始流量的時候，渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度隨著流量增加而增加，并且影響流量計精度的主要原因變成了由流體產(chǎn)生的牽引扭矩Trf。

1.層流流動狀態(tài)時的流量計特性

在層流狀態(tài)下，流體流動阻力與流體粘度μ和渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度ω成正比。ω與流體流量成正比。

在層流狀態(tài)下，儀器系數(shù)K與流體粘度μ的變化有關(guān)。如果粘度不變，則隨著流量qV的增加儀器系數(shù)K也將增加。

2.紊流流動狀態(tài)時的流量計特性

在湍流狀態(tài)下，流體的流動阻力與其密度ρ和速度qV成正比。此刻，不可以算出流體粘度的影響。

三、提高精度的方法

(一)減少機(jī)械阻力

首先，應(yīng)該完成渦輪機(jī)的平衡，因?yàn)槿绻麥u輪機(jī)的質(zhì)量中心不在軸上，則渦輪機(jī)本身的重量會為軸承增加額外的慣性力矩,為了提高流量計流量低時的精度，需要提高加工品質(zhì)，降低機(jī)械摩擦阻力。

(二)克服流體阻力的影響

首先，氣動渦輪機(jī)的表面應(yīng)平滑以減少氣體和渦輪機(jī)之間的粘性摩擦。其次，根據(jù)Trf=C1μqv的特性和層流狀態(tài)Trf中的流體阻力矩，隨著qv的增加儀器系數(shù)K也增加。另外，渦輪葉片的重疊率不宜過高。否則流體阻力將會非常高，流量計的測量精度也會降低。

(三)減少漏氣對氣體渦輪流量計精度的影響

流向葉片的驅(qū)動扭矩Tr變小，影響流量計的精度。所以，氣動渦輪機(jī)與內(nèi)壁之間的間隙通常小于0.5至1mm。重疊系數(shù)通常用于指示兩個相鄰渦輪葉片相互重疊的程度。重復(fù)的元素不應(yīng)該太小。否則，泄漏增加，重疊因子通常從1-1.1中選擇。

四、壓力、溫度及壓縮系數(shù)的修正

氣體的體積與壓力、溫度和壓縮系數(shù)有關(guān)。氣體渦輪流量計必須通過壓力和溫度校正將在運(yùn)行條件下測量的體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積值。當(dāng)氣體溫度較低并且壓力較高時，必須考慮壓縮因子的影響，以確保高精度的氣體流量測量。

(一)壓力、溫度修正的必要性

流量計的校準(zhǔn)溫度設(shè)置為25°C，設(shè)壓力為0.1MPa。在氣體介質(zhì)的現(xiàn)實(shí)操作溫度為0℃，氣壓為0.1MPa時，忽略溫度的影響會導(dǎo)致以下誤差：

在氣態(tài)介質(zhì)溫度的實(shí)際操作中，測量值為25°C，壓力為0.105MPa，如果流量計溫度在25°C，0.1MPa壓力下校準(zhǔn)，則會導(dǎo)致忽略壓力的誤差：

忽略溫度和壓力的影響，發(fā)生較大的誤差，因此有必要對溫度和壓力進(jìn)行校正，壓力傳感器和溫度傳感器盡可能使用高精度產(chǎn)品。如果流量計的精度為1%，則溫度傳感器的精度必須高于0.2°C，壓力傳感器的精度必須高于0.2%。

(二)修正氣體壓縮系數(shù)

1.壓縮系數(shù)修正的必要性

壓縮系數(shù)是測量實(shí)際氣體接近理想氣體程度的參數(shù)。壓縮因子隨著溫度和壓力而變化，并且一般來說該功能通過比較壓力Pr和溫度Tr來表示。Pr=P/Pm；Tr=T/Tm。比如說，天然氣臨界溫度Tm是191.16k，臨界壓力Pm是4.64mpa。在溫度為0℃時和壓力為0.2MPa時，Pr=0.2/4.64，Tr=273/191，16；Z=0.995。忽略Z的值則誤差為0.502%。

由于流量計的相對誤差必須保持在1%或1.5%以內(nèi)，如果壓力大于0.2Mpa，則必須考慮壓縮系數(shù)。

可以從一般曲線或使用狀態(tài)方程計算Z值。為了便于計算，使用二次擬合曲線的方法近似Z值。求解Z值時，選擇在研究范圍內(nèi)均勻分布的6個Tr點(diǎn)作為比較溫度范圍內(nèi)的參考點(diǎn)，以及Z和Pr之間的簡單函數(shù)關(guān)系我明白了。在溫度為T1的時候，對比溫度是Tr1，壓縮系數(shù)是ZT1；在溫度為T2的時候，對比溫度是Tr2，壓縮系數(shù)是ZT2；在現(xiàn)實(shí)中的氣體測量時，氣體成分的變化通常來說不會太大，所以Tm和Pm的值應(yīng)該保持不變。

五、結(jié)束語

(1)校準(zhǔn)小直徑、小流量渦輪流量計應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)鐘形裝置。校準(zhǔn)大直徑大流量渦輪流量計應(yīng)使用聲波噴嘴。標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計也可以用作內(nèi)徑為100mm，大于100mm的渦輪流量計的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但需要每年重新驗(yàn)證一次。

(2)合理設(shè)計校準(zhǔn)系統(tǒng)，確保燃?xì)廨啓C(jī)流量計前后有足夠的直管段，如果由于管路限制導(dǎo)致直管段長度不夠，在流量計前安裝整流器。當(dāng)氣體質(zhì)量較差時，應(yīng)安裝過濾器以避免雜質(zhì)對系統(tǒng)的影響。當(dāng)氣體含水量較大時，應(yīng)安裝脫水干燥裝置。

(3)在選擇最佳設(shè)計和選擇高精度輔助設(shè)備(如壓力傳感器、溫度和計時設(shè)備)時，精度必須高于被測渦輪機(jī)表的要求精度。并將系統(tǒng)誤差降至最低。

(4)遵循嚴(yán)格的校準(zhǔn)程序以符合校準(zhǔn)所需的溫度、壓力、濕度和其他環(huán)境條件。

(5)正確處理數(shù)據(jù)并充分考慮通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、測試表和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備本身的錯誤時氣體狀態(tài)的差異。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須認(rèn)真管理，并按照技術(shù)監(jiān)督局的規(guī)定進(jìn)行定期測試。