摘要:通過對1臺DN80氣體渦輪流量計(jì)在1m³/h~1.5max流量范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出氣體渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)K與流量qr.之間的特性曲線,表明在0.8qmin以下儀表系數(shù)不穩(wěn)定，流量計(jì)超差:在 qmax~1.5max范圍內(nèi)儀表系數(shù)穩(wěn)定性好，流量計(jì)精度高，由此說明實(shí)驗(yàn)所選型號的氣體渦輪流量計(jì)，儀表系數(shù)在標(biāo)稱流量范圍以外仍有可能滿足計(jì)量要求，特別是大于標(biāo)稱流量上限后儀表系數(shù)仍然穩(wěn)定,在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域擴(kuò)展了思路，也為選型應(yīng)用提供了借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
氣體渦輪流量計(jì)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(diǎn)叫已被廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易結(jié)算計(jì)量，甚至還作為量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)儀表。
根據(jù)其計(jì)量原理，流量計(jì)的傳感器應(yīng)有一個(gè)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)技術(shù)規(guī)范的要求，正確的儀表系數(shù)值是保證流量計(jì)計(jì)量精度的基本保證。在理想狀態(tài)下，也就是假定渦輪處于勻速運(yùn)動的平衡狀態(tài),機(jī)械摩擦阻力矩和流體阻力矩都足夠小甚至可以忽略不計(jì)的狀態(tài),儀表系數(shù)與流量的關(guān)系為(1)式:
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(jì)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(gè)常數(shù)，在K-qv圖上為一平行于橫軸的直線。
在已報(bào)道的很多文獻(xiàn)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(jì)的工作特性進(jìn)行較為詳細(xì)地分析與描述、但在實(shí)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(biāo)稱流量范圍之外,尤其是當(dāng)實(shí)際流量超出標(biāo)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(jìn)行研究。對此基于以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)分析。
1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)選用了1臺DN80的氣體渦輪流量計(jì)，其標(biāo)稱流量范圍為20~400m³/h,精度等級為1.0級。由于實(shí)驗(yàn)是研究性的而不是對流量計(jì)的檢定，并考慮到實(shí)驗(yàn)用臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際情況，將流量檢定范圍確定為例!:1m³/h~1.5qmax即1~600m³/h，在流量范圍內(nèi)埃勻選取35個(gè)流量點(diǎn),共進(jìn)行188組實(shí)驗(yàn),得到的流量計(jì)K-qv曲線如圖1所示。
2數(shù)據(jù)分析
由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，在1m³/h時(shí)無信號輸出，2m/h時(shí)開始有流量，說明其始動流量在1~2m³/h之間間。在流量計(jì)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(shí)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B!:當(dāng)流量低于0.8qmin時(shí)，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化，其測量誤差在流量計(jì)的允差范圍外，儀表系數(shù)本身不準(zhǔn)確,不能作為實(shí)際檢測流量.
儀表系數(shù)K在30m/h處出現(xiàn)峰值,該點(diǎn)為層流與紊流的交界點(diǎn)，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(dāng)流體黏度確定時(shí)，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)JJG1037-2008(渦輪流量計(jì))國家計(jì)量檢定規(guī)程，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)K,線性度EL和重復(fù)性E,分別定義為:
式中:(E)為第i個(gè)測量點(diǎn)的系數(shù)重復(fù)性;Kr為.第i個(gè)流量點(diǎn)的平均儀表系數(shù):n為第i個(gè)流量點(diǎn)的測量次數(shù):Kij為第i個(gè)流量點(diǎn)第j次測量得到的儀表系數(shù)值;`K為流量計(jì)儀表系數(shù)值;(Ki)max為各流量點(diǎn)系數(shù)Ki中最大值:(Ki)min為各流量點(diǎn)系數(shù)K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(jì)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~1.5q,max的流量范圍內(nèi)，線性度僅為0.109%，重復(fù)性高達(dá)0.046%,儀表系數(shù)變化幅度非常小，流量計(jì)的測量正確率就非常高。
3結(jié)論與討論
實(shí)驗(yàn)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(jì)儀表系數(shù)可以分為兩段"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(shí)驗(yàn)結(jié)論是其他研究中沒有涉及到的，對渦輪流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義。
從流量計(jì)的使用壽命方面考慮，對于每日儀表實(shí)際運(yùn)行時(shí)間不超過8h的斷續(xù)工作場合,選擇實(shí)阿使用時(shí)最大流量的1.3倍作為流量范圍上限，對于每日儀表實(shí)際運(yùn)行時(shí)間不低于8h的連續(xù)工作場合，選擇實(shí)際使用時(shí)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(shí)際使用最小流量的0.8倍為合適隊(duì)本次實(shí)驗(yàn)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。
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