摘要:在天(tiān)然氣輸送(sòng)管道(dào)與貿易計量、城(chéng)市燃氣工商業(yè)用戶的(de)流量計(jì)量中(zhōng)，常采用氣(qì)體渦(wō)輪流量(liàng)計(jì) 。氣體渦輪流量(liàng)計發展(zhǎn)曆史悠(yōu)久，也(yě)積累(lèi)了相當的天然氣應(yīng)用數據(jù)，被(bèi)認(rèn)爲(wèi)計量(liàng)精度高、适(shì)用性良好(hǎo)的天然氣流量計量(liàng)儀表。由于(yú)使用(yòng)場所的工(gōng)作條件各不相(xiàng)同，工(gōng)作壓力根據應(yīng)用的需要一般(bān)從幾(jǐ)千(qiān)帕到幾(jǐ)兆帕，而在我國(guó)的計量機構一般采用(yòng)負壓裝(zhuāng)置檢(jiǎn)定。對(duì)于在不同壓力條件(jiàn)下，氣體渦(wō)輪流(liú)量計的計(jì)量特(tè)性的數(shù)據還非(fēi)常缺乏。
　　天(tiān)然氣(qì)作爲重要的潔(jié)淨能源，近幾年在城(chéng)市(shì)中(zhōng)的應用迅猛發(fā)展。城市高壓天(tiān)然氣(qì)管網，給城市提(tí)供天然氣關系(xì)到千(qiān)家萬戶，然而天(tiān)然氣是一(yī)種非理想(xiǎng)氣體(tǐ)，實(shí)際輸(shū)送的壓(yā)力高于常(cháng)壓。在(zài)遇到天(tiān)然氣輸(shū)送管(guǎn)線洩漏或檢修(xiū)時會導緻(zhì)天(tiān)然(rán)氣壓力大幅波動;或者由于天(tiān)然氣輸送管線中出現民(mín)用高峰期(qī)時，也會(huì)造成天(tiān)然氣(qì)壓力波(bō)動(dòng)等。
　　現(xiàn)在國内(nèi)的(de) 氣體(tǐ)流量計生(shēng)産廠(chǎng)家 一(yī)般采用音速噴嘴或鍾罩(zhào)法來進行産品(pǐn)檢定，而(ér)出于經(jīng)濟上(shàng)和技術上的考慮，它們中(zhōng)的大(dà)多數使用(yòng)的是負壓(yā)法的(de)音速文丘裏噴嘴檢定裝置。而采用(yòng)負壓法的(de)裝置上隻能用(yòng)空氣作介質對(duì)流量計進(jìn)行常壓檢(jiǎn)定，但是流(liú)量計的實際工(gōng)作環(huán)境要遠比(bǐ)此複雜。在低壓(yā)力下(xià)标定(dìng)後在(zài)高壓力下使用(yòng)，在低(dī)密度(dù)下标(biāo)定後(hòu)在(zài)高密度(dù)下使(shǐ)用，流量計(jì)儀表系數(shù)都有(yǒu)改變的(de)可能，那(nà)麽，壓力的(de)增加(jiā)、密度(dù)的變化會(huì)對氣(qì)體(tǐ)流量(liàng)計的儀表系(xì)數産(chǎn)生多大的影響［1］根據國内(nèi)外相(xiàng)關文獻研究得出，影(yǐng)響儀表(biǎo)系(xì)數變化的因素(sù)有:(1)介(jiè)質(zhì)密度的影響。(2)粘度(dù)變化的(de)影響。(3)溫(wēn)度變(biàn)化的(de)影(yǐng)響(xiǎng)。(4)壓(yā)力(lì)變化(huà)的(de)影(yǐng)響等(děng)。
　　氣體渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計作(zuò)爲(wèi)目前國(guó)内少數能(néng)在高(gāo)壓下(xià)計(jì)量的(de)流(liú)量計，對(duì)其在不(bú)同氣體流體壓(yā)力下(xià)的計量性(xìng)能進(jìn)行(háng)試(shì)驗，主(zhǔ)要分析渦輪流量計(jì)在氣體流(liú)體的不同壓力(lì)下，流(liú)量計儀表(biǎo)系數的變化情(qíng)況，驗(yàn)證其計量(liàng)性能(néng)是否(fǒu)能夠(gòu)滿足計量要求(qiú)。
1氣體渦輪(lún)流量(liàng)計的基本結構(gòu)和工作(zuò)原(yuán)理(lǐ)
　　 渦(wō)輪流量(liàng)計 由渦輪流(liú)量(liàng)傳(chuán)感器(qì)和流量顯(xiǎn)示儀表組成。将(jiāng)渦輪(lún)流量(liàng)計感知流(liú)體流(liú)速的(de)渦輪(lún)組件(包括前後(hòu)導流(liú)體(tǐ)、葉(yè)輪、軸承(chéng)、殼體、信号檢(jiǎn)測組(zǔ)件)統稱爲(wèi)渦輪(lún)流量傳感器。圖(tú)1爲(wèi)渦(wō)輪流量計(jì)的(de)基本結(jié)構圖。

　　根據(jù)動量守恒定律通(tōng)過渦輪(lún)受理過程進行分析(xī)，可以比較(jiào)直觀(guān)地描述(shù)基(jī)本工(gōng)作過程，流(liú)體通過(guò)時推動(dòng)葉輪，産生(shēng)主動(dòng)力矩。氣體渦輪(lún)流量(liàng)計屬于速(sù)度式流量(liàng)計，渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qì)輸出(chū)與(yǔ)流量成正比關系的脈(mò)沖頻(pín)率，輸入到(dào)流量(liàng)顯示儀表或計(jì)算機。在某(mǒu)一流量範圍和(hé)一(yī)定粘度範圍(wéi)内，渦(wō)輪流量計輸出的(de)信号脈沖頻率f與(yǔ)通過(guò)渦輪(lún)流量計的(de)體(tǐ)積流量qv成正(zhèng)比［4］，即:
f=kqv　　　　　　　　　(1)
　　式中(zhōng)，k爲渦輪流量(liàng)計(jì)的儀(yí)表系數，1/l或(huò)1/m3，儀表系數(shù)k應爲一常(cháng)數，其(qí)數值由實(shí)驗标準(zhǔn)标(biāo)定得到。每台(tái)渦(wō)輪流(liú)量傳(chuán)感(gǎn)器(qì)的校(xiào)準(或合(hé)格)證上都(dōu)标明經過實(shí)流檢(jiǎn)定測得分段不同(tóng)流量範(fàn)圍的(de)儀表(biǎo)系數(shù)k值。
儀(yí)表系數k的意義(yì)是單位體(tǐ)積流量(liàng)通過渦(wō)輪流(liú)量(liàng)傳(chuán)感器(qì)輸出的(de)信号脈(mò)沖頻率f(或信号(hào)脈沖總(zǒng)數n)。所以(yǐ)，當測得傳(chuán)感(gǎn)器輸出(chū)的信(xìn)号脈(mò)沖頻率(lǜ)或某一(yī)時間内的(de)脈沖總數n後，分别除以儀表(biǎo)系數k，就(jiù)可得到體(tǐ)積流(liú)量qv或流(liú)量(liàng)總量(liàng)q，即:

　　要(yào)使渦輪流量計(jì)能夠較準(zhǔn)确的工作(zuò)，其儀(yí)表系(xì)數k必須爲(wèi)常數。但實(shí)際上(shàng)渦輪流量計的(de)工作特性并非(fēi)如此，即:

　　式中，r爲(wèi)葉輪的平(píng)均半(bàn)徑;ρ爲(wèi)流體的密(mì)度;a爲(wèi)流(liú)通截面(miàn)積;θ爲渦輪葉片(piàn)與軸線(xiàn)的夾角;trm爲機械(xiè)摩(mó)擦阻(zǔ)力矩;trf爲流體阻(zǔ)力矩。
以dn50爲(wèi)例，其流量特性(xìng)曲線(xiàn)如圖2所示。

　　在(zài)理想狀态下，也就是假定渦輪(lún)處于勻速運動(dòng)的平衡狀态，機(jī)械摩擦阻力矩trm和流(liú)體阻力矩trf都足夠小至可以忽(hū)略不計的(de)狀态，儀表(biǎo)系數(shù)與流(liú)量的關系(xì)爲

　　可(kě)見，理想特性僅僅與渦輪(lún)流量計(jì)的結構(gòu)參數有(yǒu)關，儀表系數爲(wèi)一(yī)個常數，與(yǔ)流體變化(huà)無關。
2試驗
　　試驗(yàn)選用1台tbqm-g65-dn50和1台tbqm-g100-dn80口(kǒu)徑的氣體(tǐ)渦輪(lún)流量(liàng)計作爲對象，流量(liàng)範圍分别爲(wèi)6.5～100m3/h和(hé)8～160m3/h。依照jjg1037—2008《渦(wō)輪流量計(jì)檢定(dìng)規程》規定(dìng)，流量(liàng)檢定點應包括(kuò)qmax、0.7qmax、0.40qmax、0.25qmax、qt、0.1qmax、qmin。所以(yǐ)，相應(yīng)的tbqm-g65-dn50的(de)流(liú)量(liàng)檢定(dìng)點爲(wèi):100、70、40、25、20、10、6.5m3/h;tbqm-g100-dn80的流(liú)量檢(jiǎn)定點(diǎn)爲:160、112、64、40、32、16、8m3/h，其(qí)中每(měi)個流(liú)量點測試3次。
2.1檢定所用的(de)裝置(zhì)
　　采用dresserinnovativegasmeteringsolutions裝(zhuāng)置進行(háng)負壓檢定(dìng)，如(rú)圖(tú)3所示(shì)，其流(liú)量範(fàn)圍爲0.5～1600m3/h，檢測(cè)口徑爲dn25～dn150，不确定(dìng)度爲(wèi)0.25%。

　　高壓環道氣體(tǐ)流量(liàng)标準裝(zhuāng)置(zhì)，如圖4所示，該裝置可在(zài)實際工(gōng)作的壓力(lì)狀态下(xià)檢測流量計(jì)的性能，其流(liú)量(liàng)範圍爲1～2500m3/h，檢(jiǎn)測口(kǒu)徑爲dn20～dn250，工作壓力(lì)範圍爲0.1～2.0mpa，不确定(dìng)度爲(wèi)0.33%。采用(yòng)該套(tào)裝置(zhì)進行壓力(lì)爲0.1mpa、0.8mpa和2.0mpa的檢定。

2.2檢定所得(dé)儀表系(xì)數
　　不同壓(yā)力下每個(gè)流量計的(de)儀表(biǎo)系數如表(biǎo)1和表2所示(shì)。

流量(liàng)計儀表(biǎo)系數:

　　式中，k爲(wèi)流量計的(de)儀表系數(shù)，1/m3;(ki)max爲流(liú)量計(jì)在qt到qmax流量(liàng)範圍各流量檢(jiǎn)定點得到的ki中(zhōng)的最大值(zhí)，1/m3;(ki)min爲流量計在(zài)qt到qmax流量(liàng)範圍各(gè)流量檢定點得到的ki中(zhōng)的最小(xiǎo)值(zhí)，1/m3。
計算(suàn)所得的不同壓力下儀表系數(shù)如表3和表4所示(shì)。


2.3檢定數(shù)據(jù)處理與分析
2.3.1儀表系(xì)數分析
　　根據表(biǎo)1和表(biǎo)2繪制得到(dào)不同壓(yā)力(lì)下氣體渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的儀表(biǎo)系(xì)數特(tè)性，如圖5和圖6所(suǒ)示。


　　随着工(gōng)作壓力的變化(huà)，渦(wō)輪(lún)流量計儀(yí)表系(xì)數的變化很小(xiǎo)。參考jjg1037—2008《渦輪(lún)流量計檢定規(guī)程》計(jì)量檢定規(guī)程(chéng)中流量(liàng)計的重複(fú)性的計算(suàn)方法，可以(yǐ)定義(yì)不同壓(yā)力下渦(wō)輪流(liú)量計儀表(biǎo)系數(shù)的重複性(xìng)爲:

　　式中(zhōng):(er)i爲不同工作壓力(lì)下流(liú)量計儀表系數的重(zhòng)複(fú)性，%;ki爲不(bú)同工作壓力下(xià)流量(liàng)計(jì)儀表系(xì)數的(de)平均系數，1/m3;kij爲第i種工作壓(yā)力下流量計的儀表系數，1/m3;n爲不(bú)同工作壓力的(de)個數。
計(jì)算得出(chū)tbqm-g65-dn50在不(bú)同工(gōng)作壓力下(xià)流(liú)量計儀(yí)表系數的(de)重複(fú)性:

2.3.2線(xiàn)性度分析(xī)
　　歐洲标(biāo)準en12261:2002的有關規定(dìng)———第5.2.1.1款［5］，本(běn)款對于儀表的(de)固有性能(néng)提出(chū)了嚴格的(de)要求，即如(rú)果儀(yí)表特(tè)性試(shì)驗在(zài)多于(yú)一個壓力(lì)下進(jìn)行，對于(yú)公(gōng)稱口(kǒu)徑大于100mm的流(liú)量(liàng)計，在0.25qmax和qmax之(zhī)間的(de)所有(yǒu)結果間的(de)差不(bú)得大于0.5%，對(duì)于公(gōng)稱(chēng)口徑小(xiǎo)于等于100mm的(de)流量(liàng)計，在(zài)0.25qmax和qmax之(zhī)間的(de)所有結果間的(de)差不得大于1.0%。
　　根(gēn)據表1和表(biǎo)2中的數據進(jìn)行計(jì)算，對于tbqm-g65-dn50，所(suǒ)有檢定(dìng)結果(guǒ)最(zuì)大差值(zhí)爲0.558%;tbqm-g100-dn80的所有檢定(dìng)結果(guǒ)最(zuì)大差值(zhí)爲0.904%，結(jié)果均(jun1)符合标準。
2.4小結(jié)
(1)根據(jù)式(6)計算出的在(zài)不同(tóng)工作壓力下流量計儀表(biǎo)系數的重(zhòng)複性(xìng)，說明渦輪(lún)流量(liàng)計儀(yí)表(biǎo)系(xì)數受壓力(lì)變(biàn)化(huà)的敏(mǐn)感性較(jiào)小(xiǎo)。tbqm-g65-dn50在4種(zhǒng)不同壓力下(xià)流量計(jì)儀表系數(shù)變化的(de)重複性(xìng)僅爲(wèi)0.502%，而(ér)tbqm-g100-dn80的重複性(xìng)僅爲0.282%。
(2)随着工(gōng)作壓力(lì)的變化(huà)，渦輪流量(liàng)計線(xiàn)性度(dù)變化不大(dà)。說明流體(tǐ)工作壓力的(de)變化對(duì)渦輪(lún)流(liú)量(liàng)計的線性度影(yǐng)響很(hěn)小。圖5和圖6是在(zài)4種不同壓(yā)力下2台(tái)氣(qì)體渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的(de)儀表系數随流量變化的曲線。從圖中(zhōng)可以很直(zhí)觀地(dì)看出(chū)，在流量的(de)上下限之間，壓(yā)力對渦輪(lún)流量(liàng)計儀表系數的(de)影響(xiǎng)。4種不同壓(yā)力(lì)下的曲線型(xíng)一緻(zhì)性很好，也(yě)與圖2中理論的特性曲線(xiàn)有較好的符(fú)合性，隻是高壓相較于(yú)低壓(yā)曲線(xiàn)整體(tǐ)向上(shàng)漂(piāo)移(yí)。
(3)經過計算(suàn)分析，流量(liàng)計符合歐洲标準en12261的有關規定(dìng)———第5.2.1.1款(kuǎn)。
(4)此外，根據(jù)所有(yǒu)線性度結(jié)果計算得出，壓(yā)力的變(biàn)化對儀(yí)表系數的影響(xiǎng)小于流量(liàng)變化(huà)的影響。
3儀表系(xì)數研究讨(tǎo)論
3.1流量顯(xiǎn)示裝(zhuāng)置
　　前(qián)文已(yǐ)經提(tí)到，渦(wō)輪流量(liàng)計是由(yóu)渦輪流量(liàng)傳感器和流量顯示(shì)儀表(biǎo)組成。目前公知(zhī)的渦輪流(liú)量計(jì)大(dà)概(gài)采用以下幾(jǐ)種(zhǒng)流量顯示儀(yí)表:帶字輪的機械(xiè)計算(suàn)器(qì)、帶(dài)溫(wēn)度和壓(yā)力補償(cháng)的電子(zǐ)顯示裝(zhuāng)置、流量(liàng)計算(suàn)機和帶無線遠傳功(gōng)能的電子(zǐ)顯示裝置(zhì)等。
　　上述提到的(de)顯示裝置(zhì)除了(le)流量計(jì)算機，其餘都是通過機(jī)芯上主軸(zhóu)的蝸(wō)杆與齒輪的配(pèi)合傳遞(dì)扭(niǔ)矩，并(bìng)通過齒輪(lún)減速傳動(dòng)以及磁耦(ǒu)合(hé)聯接驅動字(zì)輪計數(shù)器轉動而得(dé)到流(liú)量累(lèi)積與(yǔ)顯(xiǎn)示，俗稱低頻(pín)取(qǔ)信(xìn)号方式。流(liú)量計算機(jī)包含(hán)兩種取信(xìn)号方式，如(rú)前文所述的(de)低頻，另(lìng)外一(yī)種是(shì)直接(jiē)取葉輪轉(zhuǎn)動的(de)信号，俗(sú)稱高(gāo)頻。
3.2機械計數(shù)器齒(chǐ)輪調整
　　渦輪流量計(jì)出廠前用取高(gāo)頻信(xìn)号方(fāng)法進行(háng)标定，然(rán)後根據得(dé)出儀表系數進行機(jī)械計(jì)數器内齒輪配對，傳動比(bǐ)盡量接近(jìn)标定(dìng)出的(de)儀表系數(shù)。也就是(shì)說，我們(men)可以調整齒輪(lún)配對以滿足儀表系數的(de)變化(huà)。
　　從上(shàng)文得知，不(bú)同壓力(lì)波動是(shì)存在的，若(ruò)流量計(jì)工作壓力波(bō)動範圍較小，建(jiàn)議其(qí)在實(shí)際工作壓力下(xià)進行(háng)相應測試按其(qí)檢定(dìng)數(shù)據(jù)配齒(chǐ)，使實(shí)際傳(chuán)動比(bǐ)的理論(lùn)儀(yí)表系(xì)數盡(jìn)可(kě)能接近(jìn)在該壓(yā)力點下測(cè)試的儀(yí)表系(xì)數，流(liú)量計(jì)的計(jì)量将(jiāng)更加(jiā)準确(què)。
　　但是，機(jī)械計數(shù)器有(yǒu)一(yī)缺點，調(diào)配出(chū)的儀表系(xì)數是固定，隻能(néng)對某一流量點進行修正，不能(néng)對所(suǒ)有流量點修正。所以對于(yú)某些(xiē)流量點來(lái)說，誤差可能還(hái)是存在的(de)。
3.3電子表頭(tóu)修正
　　二次(cì)電子顯示裝置、體積(jī)修正(zhèng)儀、流量計(jì)算機等俗稱電子表頭，其(qí)液晶屏幕(mù)上可(kě)顯(xiǎn)示(shì)多種信息(xī)，比如瞬時(shí)流量(liàng)、總流量(liàng)、溫(wēn)度和(hé)壓力等。電子表(biǎo)頭含有非(fēi)常多(duō)的功能(néng)，可以根據溫度(dù)壓(yā)力(lì)對(duì)流體體積(jī)進行修正，可以根據(jù)流量或者表壓(yā)的不(bú)同(tóng)進行儀(yí)表系數的調整，使在(zài)用流量計的流量特性曲(qǔ)線接(jiē)近一條直(zhí)線，這就(jiù)大(dà)大提(tí)高了流量計的精度。帶(dài)電子表頭的(de)渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計很好地解決了帶機械計數(shù)器流(liú)量計(jì)存在(zài)的問題，其可以(yǐ)進行(háng)每個(gè)流量(liàng)點的儀表系數(shù)修正。然而，它也(yě)同樣有(yǒu)缺點(diǎn)，比(bǐ)如說安全(quán)防爆(bào)問題，還有電子(zǐ)表頭(tóu)價格(gé)昂貴(guì)，不(bú)便(biàn)于普(pǔ)及。
4結(jié)束語
　　氣(qì)體渦(wō)輪(lún)流量計儀(yí)表系(xì)數受壓力變化(huà)的敏感性較小(xiǎo)，tbqm-g65-dn50的(de)儀表系(xì)數變化的(de)重複性僅(jǐn)爲0.502%，而tbqm-g100-dn80的重複性(xìng)僅爲0.282%。随着工作(zuò)壓力的變化，渦輪流量計線性(xìng)度變化不大。在4種不同壓力下(xià)2台氣體渦輪流量計(jì)的儀(yí)表系數曲線(xiàn)型(xíng)一緻性很(hěn)好，與理論(lùn)的特(tè)性曲線有(yǒu)很好(hǎo)的(de)符(fú)合性，隻是(shì)對于(yú)dn50口徑(jìng)的氣(qì)體渦輪流(liú)量計來說(shuō)，高壓(yā)相較于低壓曲(qǔ)線整體向上漂(piāo)移，而(ér)dn80口(kǒu)徑的氣(qì)體渦輪流量計(jì)相對(duì)穩定，波動(dòng)更小。流量計符(fú)合歐(ōu)洲(zhōu)标(biāo)準en12261的(de)有關規定———第5.2.1.1款(kuǎn)。壓力的變化對(duì)儀表系數(shù)的影響小(xiǎo)于流(liú)量變化的影響(xiǎng)。
雖然(rán)在不同壓(yā)力下(xià)，氣體渦輪(lún)流量計的(de)儀表性能(néng)有些許(xǔ)波(bō)動，但(dàn)是靠着機(jī)械計數器和電(diàn)子表(biǎo)頭的(de)調(diào)整或修(xiū)正，其儀表性能(néng)将能加穩定且準确。
　　鑒于(yú)目前的試(shì)驗研究還(hái)不夠(gòu)系統(tǒng)和全(quán)面，需開展(zhǎn)進一(yī)步的(de)研(yán)究才能明确不同壓力(lì)下對氣(qì)體渦輪流量計的影響(xiǎng)，特别是(shì)檢(jiǎn)定的(de)介質(zhì)如(rú)能用天然氣，那麽(me)試驗(yàn)結果(guǒ)将(jiāng)更具說(shuō)服力。

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