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氣體渦輪流量計標(biāo)定精度的分析
摘 要：分析影響氣體渦輪流量計標(biāo)定精度的各種因素，并提出了解決的方法。
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(yán)重，為此大力發(fā)展天然氣、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?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展使燃?xì)赓Q(mào)易計量的準(zhǔn)確性更加重要。因此，尋求高精度的計量儀表已成為燃?xì)赓Q(mào)易中的一個不可忽視的重要問題，而標(biāo)定方法和標(biāo)定系統(tǒng)的選擇是直接關(guān)系到流量計實際計量精度的關(guān)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(dá)10：1至20：1）、重復(fù)性好等優(yōu)點。在國內(nèi)外燃?xì)?、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(zhǔn)確、精度高，但若出廠時對其標(biāo)定不夠準(zhǔn)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必須進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，所用的標(biāo)準(zhǔn)裝置主要為“標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計”、“音速噴嘴”、“鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計量器”、“標(biāo)準(zhǔn)滾筒氣體流量計”、“標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)葉片氣體流量計”等，其中前3種為常用的標(biāo)準(zhǔn)裝置。為了確保其作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)及其公證性、準(zhǔn)確性，提高氣體渦輪流量計標(biāo)定精度成為迫在眉睫的任務(wù)
2 影響標(biāo)定精度的因素
2.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的影響
簡要介紹3種標(biāo)準(zhǔn)裝置：
標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計具有標(biāo)定精度高、標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身性能的改變，從而降低標(biāo)定精度。因此標(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身需要定期進(jìn)行標(biāo)定。且標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)需標(biāo)定的渦輪表口徑較小時（小于100mm），就不宜選用渦輪表作為標(biāo)準(zhǔn)裝置。
音速噴嘴的流體力學(xué)原理是：當(dāng)噴嘴上游側(cè)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(dāng)以空氣為介質(zhì)時為0.528），則在噴嘴出口截面上氣流達(dá)到音速，并當(dāng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)裝置的體積數(shù)。因此可作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置來校驗流量計。理想條件下音速噴嘴的標(biāo)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)生能量損失，因而造成標(biāo)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(guān)。
鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計量器標(biāo)定流量計的流量范圍受鐘罩容積大小的制約。當(dāng)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(jī)誤差會增大，影響渦輪表大流量測試點的標(biāo)定精度。設(shè)鐘罩容積為V容，下降時間約為1分鐘，則其所能測試的zui大流量：
Qzui大=60×V容（m3/h）
另外，影響音速噴嘴、鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)裝的標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)裝置的特點，就可在實際標(biāo)定中選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)裝置。在條件允許的情況下盡可能地選用高精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置，因為標(biāo)準(zhǔn)裝置本身的精度和操作程序直接影響待測渦輪表的標(biāo)定精度。
2.2 標(biāo)定壓力與標(biāo)定溫度的影響
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(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量Q、流體粘度μ等參數(shù)無關(guān)，可近似為常數(shù)。只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)K才真正顯示了常數(shù)的性質(zhì)。儀表系數(shù)K為常數(shù)的這個區(qū)間，也就是該流量計的測量范圍。
2.2.2 溫度、壓力的變化對標(biāo)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(guān)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(dá)到紊流狀態(tài)這樣，渦輪表實際進(jìn)入精度范圍的zui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(dá)到紊流狀態(tài)，這樣流量計實際進(jìn)入精度范圍的zui小流量Qamin將減小。
2.3 壓縮系數(shù)的變化對標(biāo)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(biāo)定溫度為常溫、標(biāo)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(biāo)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(jìn)口處的速度分布尤為敏感。進(jìn)口流速的突變和流體的旋轉(zhuǎn)可使測量誤差達(dá)到不能允許的程度。在標(biāo)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(jìn)口處流體的旋轉(zhuǎn)采能*消除、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(biāo)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，則不能保證測量值的精度。如果傳感器安裝位置不合適，則不能正確測量通過標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致渦輪表進(jìn)口處的速度分布不
均，從而影響標(biāo)定的精度。
2.6 數(shù)據(jù)的分析處理對標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置、待測表時狀態(tài)的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差等因素，所造成的誤差將會很大。