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气体涡轮流量计标定精度

时间:2018-11-13
摘 要:分析影响气体涡轮流量计标定精度的各种因素,并提出了解决的方法。 影响标定精度的因素 2.2 标定压力与标定温度的影响 2.2.1 涡轮表的流动特性 当流量大于始动流量值后,随着流量的增加,涡轮旋转角速度也将增大。在测量范围内,流体产生的阻力矩T将成为影响流量计特性的主要困素。相对来说,由轴承及其它机械传动部件摩擦产生的机械阻力矩就比较小了。以下讨论中,假定机械阻力矩为0,则仪表系数: K=B - C[T/ρQ2 ] (1) 式中:Q——管内流体的流量; B、C——常数。 由于在不同的流动状态下,流体产生阻力的机理不同,效果也不同,所以对层流流动状态和紊流流动状态将分别进行讨论。 区分层流流动状态和紊流流动状态必须引入雷诺数(Re)的概念 Re=4Q/πdν (2) 式中:Q——管内流体的流量; d——管道直径; ν——管内流体的运动粘度。 通常Re≥2320是管内流动由层流流动状态转变为紊流流动状态的判断依据。 在层流流动状态时,流体流动阻力矩T与流体动力牯度(也称粘度)μ、流体流量Q成正比,即T=C1μQ。式中,C1为常数,代入式(1)可知:若粘度变化,则仪表系数K也随之变化;若粘度不变.则K将随流量的增加而增加。 在紊流流动状态时,流体流动阻力矩T与流体密度和Q2成正比.此时可计流体粘度的影响.即T=C2ρQ2,式中,C2为常数,代入式(1)可知:在紊流流动状态时,仪表系数K仅与仪表本身结构参数有关,而与流量Q、流体粘度μ等参数无关,可近似为常数。只有在这种状态下,仪表系数K才真正显示了常数的性质。仪表系数K为常数的这个区间,也就是该流量计的优质测量范围。 2.2.2 温度、压力的变化对标定精度影响的分析 运动粘度ν为动力粘度与流体密度ρ的比值。根据流体粘度与温度之间的关系、雷诺数的定义及气体状态方程可知,在一定的温度范围内,随着温度的提高,在同样流量下雷诺数也增加。根据层流、紊流的判定条件可知:温度的增加,使流体在较小流量即可达到紊流状态这样,涡轮表实际进入精度范围的最小流量Qamin将减小。 而如果温度不变,随着压力的提高.在同样流量下雷诺数也增加。根据层流、紊流的判定条件可知:压力的增加,使流体在较小流量即可达到紊流状态,这样流量计实际进入精度范围的最小流量Qamin将减小。 2.3 压缩系数的变化对标定精度的影响 压缩系数Z是用来衡量实际气体接近理想气体程度的参数。通常标定温度为常温、标定压力不会太高,可以不考虑Z的影响。 2.4 速度分布畸变对标定精度的影响 涡轮表是速度式的流量测量仪表,其仪表特性直接受气体流动状态的影响。对其进口处的速度分布尤为敏感。进口流速的突变和流体的旋转可使测量误差达到不能允许的程度。在标定中,涡轮流量计之前一般有若十倍管道直径的直管段,但往往由于直管段长度不够,进口处流体的旋转采能彻底消除、或由于安装流量计时密封垫片突出而改变了流体和涡轮叶片之间的角度,这些影响往往使仪表常数变化2%或更多。 2.5 辅助测量装置对标定精度的影响 数据的正确采集依赖于温度、压力传感器、定时器、脉冲计数器的选取及安装位置的确定。如果传感器精度不够,则不能保证测量值的精度。如果传感器安装位置不合适,则不能正确测量通过标准装置及待测涡轮表的气体的实际温度、压力值。且可能会影响气体的流动状态,导致涡轮表进口处的速度分布不均,从而影响标定的精度。 2.6 数据的分析处理对标定精度的影响 因为气体涡轮流量计是计量一段时间内通过他的气体的体积数,而气体体积又受压力、温度等因素的影响,且标准装置的示值与真值还是有点差异的,所以若不充分考虑气体通过标准装置、待测表时状态的差异以及标准装置自身的误差等因素,所造成的误差将会很大。 对于涡轮表示值精度的标定一般规定在下述流量进行,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,则该流量点取消。一般同*量点至少测试3次,取2次相近数据的平均值为测量值。若出现异常数据,需增加试验次数。对于每个流量再进行如下的数据分析,设: V'、V 分别为时间t内实际通过标准装置和待测表的气体体积; V、Vc 分别为时间t内标准装置和待测表的体积示数; P、Pc 分别为通过标准装置和待测表的气体绝对压力; TN、Tc 分别为通过标准装置和待测表的气体绝对温度; ZN、Zc 分别为通过标准装置和待测的气体压缩系数; △P 为待测表与标准装置之间的气体压力差,△P=Pc - PN; △T 为标准装置与待测表之间的气体温度差,△T=TN - Tc; fN 为在某流量点标准装置的体积示数VN与实际通过他的气体体积V' 相比所得的示值相对误差。 fc 为在某流量点待测表的体积示数Vc与实际通过他的气体体积V相比所得的示值相对误差。 由气体状态方程可得: 标准装置 PNV'/TN=ZNmR (3) 待测表 PcV/Tc=ZcmR (4) 当△P、△T较小时,把一次项后的误差计算舍去,由上式可知:忽略△P的存在,造成的误差为(△P/PN)×100%;忽略△T的存在,造成的误差为(△T/TN)×100%;忽略标准装置自身误差的存在,造成的误差为fN×100%,所以必须考虑气体通过标准装置和待测表时温度、压力的差异以及标准装置自身的误差。 3 提高标定精度的方法 3.1 合理选择标准装置 由于标准涡轮表本身的特点,它本身需要每年进行检定,当需标定的涡轮表口径较小时(小于100mm),就不宜选用涡轮表作为标准表。 鉴于流量越小,雷诺数越小,则忽略气体粘性造成的误差越太,所以音速喷嘴标准装置只适合标定大流量、大口径的涡轮表。保证喉径的加工精度,选择高精度的时间测量装置都是十分必要的。为使容器气体温度尽快均匀稳定,还应在容器内加装搅拌机。 一般用钟罩来标定小口径、小流量涡轮表,且选择钟罩时其容积一定要足够大,以保证大流量点标定的精度。为了保证水质的清洁,钟罩内的水应每天更换。当钟罩鼓起后,为了使钟罩内气体温度均匀,钟罩充满气后,应等待5min之后才能开始试验。另外,钟罩与音速喷嘴作为标准装置还需利用空调、干燥器等设旋保证标定所需的标准环境。 3.2 消除标定压力与标定温度的影响 标定装置必须立于空间足够大的试验室内,保证标准装置、待测涡轮表不在单方向受热(如太阳的辐射、加热器或其他热源)。试验室中的温度变化不得超过20±5℃的温度范围。由于涡轮表进入精度的流量范围与表压及当地的大气压力有关,所应明确指出标定时的表压及当地的大气压力。 3.3 消除标定系统中管路设计方面的影响 为了有效地消除旋转流.应在涡轮表前安装必要的直管段,且最好在涡轮表前加装整流器,并保证管道及流量计密封垫片良好定位,不使突出。为了保证流体的正常流动特性,消除流量计后的各种管件、阀门的不良影响,流量计后也应保证至少5倍以上管道直径的直管段。 3.4 消除辅助测量装置方面的影响 选择高精度的温度、压力传感器、定时装置等辅助设施,其精度必须高于待测涡轮表所需精度l~2级,且安装位置应合适。 3.5 数据的分析处理 计算待测表的误差必须考虑气体通过标准装置和待测表时温度、压力的差异以及标准装置自身的误差。若忽略通过标准装置和待测表的气体压缩系数的差异,可求得待测涡轮表在某*量点的相对示值误差。 4 结论 (1)标定小口径、小流量的涡轮表应选用钟罩标准装置,标定大口径、大流量的涡轮表应选用音速喷嘴,对于口径为100mm以及大于100mm的涡轮流量计也可选用标准涡轮表作为标准装置,但每年需重新检定1次。 (2)合理设计标定系统,保证气体涡轮流量计有足够的前后直管段,如受管线的限制使直管段长度不够,则应在流量计前加装整流器。气质较脏时,应加装过滤器,避免杂质对系统的影响。当气质的含水量较大时.应加装脱水干燥装置。 (3)选择优质设计方案,选择高精度的温度、压力传感器、定时装置等辅助设旋,其精度必须高于待测涡轮表所需精度1~2级,将系统误差降为最小。 (4)严格按操作规程进行标定,满足标定所需要的温度、压力、湿度等环境条件。 (5)正确处理数据,充分考虑气体通过标准装置、待测表时状态的差异以及标准装置自身的误差。标准装置应认真维护,并依照技术监督局的规定定期进行检定。

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