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(gè)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(jì)量的準(zhǔn)確性更加重要。因此，尋求高精度的計(jì)量儀表已成為燃?xì)赓Q(mào)易中的一個(gè)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(jì)實(shí)際計(jì)量精度的關(guān)鍵。氣體渦輪流量計(jì)（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(diǎn)。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(jì)量準(zhǔn)確、精度高，但若出廠時(shí)對(duì)其標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，則直接影響其計(jì)量精度。在國外每臺(tái)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(jì)”、“音速噴嘴”、“鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器”、“標(biāo)準(zhǔn)滾筒氣體流量計(jì)”、“標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)葉片氣體流量計(jì)”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(jì)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(jì)具有標(biāo)定精度高、標(biāo)定速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但隨著時(shí)間的推移，由于其內(nèi)部軸承及其他運(yùn)動(dòng)部件的磨損會(huì)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(yùn)動(dòng)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(shí)（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(shí)，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(shí)（當(dāng)以空氣為介質(zhì)時(shí)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(shí)，氣流速度仍保持音速不變，于是在連接有被標(biāo)定流量計(jì)的系統(tǒng)中產(chǎn)生固定不變的臨界流量，再與所用時(shí)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(yàn)流量計(jì)。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(shí)，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(jì)量器標(biāo)定流量計(jì)的流量范圍受鐘罩容積大小的制約。當(dāng)鐘罩體積較小時(shí)，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(huì)增大，影響渦輪表大流量測試點(diǎn)的標(biāo)定精度。設(shè)鐘罩容積為V容，下降時(shí)間約為1分鐘，則其所能測試的最大流量：

 

      Q最大=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(shí)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(diǎn)，就可在實(shí)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?yàn)闃?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

 

      2.2.1 渦輪表的流動(dòng)特性

 

      當(dāng)流量大于始動(dòng)流量值后，隨著流量的增加，渦輪旋轉(zhuǎn)角速度也將增大。在測量范圍內(nèi)，流體產(chǎn)生的阻力矩T將成為影響流量計(jì)特性的主要困素。相對(duì)來說，由軸承及其它機(jī)械傳動(dòng)部件摩擦產(chǎn)生的機(jī)械阻力矩就比較小了。以下討論中，假定機(jī)械阻力矩為0，則儀表系數(shù)：

 

      K=B - C[T/ρQ2 ]   （1）

 

      式中：Q——管內(nèi)流體的流量；

               B、C——常數(shù)。

 

      由于在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體產(chǎn)生阻力的機(jī)理不同，效果也不同，所以對(duì)層流流動(dòng)狀態(tài)和紊流流動(dòng)狀態(tài)將分別進(jìn)行討論。

 

      區(qū)分層流流動(dòng)狀態(tài)和紊流流動(dòng)狀態(tài)必須引入雷諾數(shù)（Re）的概念

 

      Re=4Q/πdν    （2）

 

      式中：Q——管內(nèi)流體的流量；

               d——管道直徑；

               ν——管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)粘度。

 

      通常Re≥2320是管內(nèi)流動(dòng)由層流流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)狀態(tài)的判斷依據(jù)。

 

      在層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流體流動(dòng)阻力矩T與流體動(dòng)力牯度（也稱粘度）μ、流體流量Q成正比，即T=C1μQ。式中，C1為常數(shù)，代入式（1）可知：若粘度變化，則儀表系數(shù)K也隨之變化；若粘度不變．則K將隨流量的增加而增加。

 

      在紊流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流體流動(dòng)阻力矩T與流體密度和Q2成正比．此時(shí)可計(jì)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(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(gè)區(qū)間，也就是該流量計(jì)的最佳測量范圍。

 

      2.2.2 溫度、壓力的變化對(duì)標(biāo)定精度影響的分析

 

      運(yùn)動(dòng)粘度ν為動(dòng)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(shí)際進(jìn)入精度范圍的最小流量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(jì)實(shí)際進(jìn)入精度范圍的最小流量Qamin將減小。

 

      2.3 壓縮系數(shù)的變化對(duì)標(biāo)定精度的影響

 

      壓縮系數(shù)Z是用來衡量實(shí)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(huì)太高，可以不考慮Z的影響。

 

      2.4 速度分布畸變對(duì)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(dòng)狀態(tài)的影響。對(duì)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(jì)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)采能徹底消除、或由于安裝流量計(jì)時(shí)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(duì)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(shí)器、脈沖計(jì)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(shí)際溫度、壓力值。且可能會(huì)影響氣體的流動(dòng)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(duì)標(biāo)定精度的影響

 

      因?yàn)闅怏w渦輪流量計(jì)是計(jì)量一段時(shí)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(diǎn)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(shí)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(huì)很大。

 

      對(duì)于渦輪表示值精度的標(biāo)定一般規(guī)定在下述流量進(jìn)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，則該流量點(diǎn)取消。一般同一流量點(diǎn)至少測試3次，取2次相近數(shù)據(jù)的平均值為測量值。若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，需增加試驗(yàn)次數(shù)。對(duì)于每個(gè)流量再進(jìn)行如下的數(shù)據(jù)分析，設(shè)：

 

      V＇、V 分別為時(shí)間t內(nèi)實(shí)際通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體體積；

      V、Vc 分別為時(shí)間t內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的體積示數(shù)；

      P、Pc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體絕對(duì)壓力；

      TN、Tc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表的氣體絕對(duì)溫度；

      ZN、Zc 分別為通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測的氣體壓縮系數(shù)；

      △P 為待測表與標(biāo)準(zhǔn)裝置之間的氣體壓力差，△P=Pc - PN；

      △T 為標(biāo)準(zhǔn)裝置與待測表之間的氣體溫度差，△T=TN - Tc；

      fN 為在某流量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)裝置的體積示數(shù)VN與實(shí)際通過他的氣體體積V＇ 相比所得的示值相對(duì)誤差。

      fc 為在某流量點(diǎn)待測表的體積示數(shù)Vc與實(shí)際通過他的氣體體積V相比所得的示值相對(duì)誤差。

 

      由氣體狀態(tài)方程可得：

 

      標(biāo)準(zhǔn)裝置

 

      PNV＇/TN=ZNmR                （3）

 

      待測表

 

      PcV/Tc=ZcmR                 （4）

 

      當(dāng)△P、△T較小時(shí)，把一次項(xiàng)后的誤差計(jì)算舍去，由上式可知：忽略△P的存在，造成的誤差為（△P/PN）×100%；忽略△T的存在，造成的誤差為（△T/TN）×100%；忽略標(biāo)準(zhǔn)裝置自身誤差的存在，造成的誤差為fN×100%，所以必須考慮氣體通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和待測表時(shí)溫度、壓力的差異以及標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的誤差。

 

      3 提高標(biāo)定精度的方法

 

      3.1 合理選擇標(biāo)準(zhǔn)裝置

 

      由于標(biāo)準(zhǔn)渦輪表本身的特點(diǎn)，它本身需要每年進(jìn)行檢定，當(dāng)需標(biāo)定的渦輪表口徑較小時(shí)（小于100mm），就不宜選用渦輪表作為標(biāo)準(zhǔn)表。

 

      鑒于流量越小，雷諾數(shù)越小，則忽略氣體粘性造成的誤差越太，所以音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置只適合標(biāo)定大流量、大口徑的渦輪表。保證喉徑的加工精度，選擇高精度的時(shí)間測量裝置都是十分必要的。為使容器氣體溫度盡快均勻穩(wěn)定，還應(yīng)在容器內(nèi)加裝攪拌機(jī)。

 

      一般用鐘罩來標(biāo)定小口徑、小流量渦輪表，且選擇鐘罩時(shí)其容積一定要足夠大，以保證大流量點(diǎn)標(biāo)定的精度。為了保證水質(zhì)的清潔，鐘罩內(nèi)的水應(yīng)每天更換。當(dāng)鐘罩鼓起后，為了使鐘罩內(nèi)氣體溫度均勻，鐘罩充滿氣后，應(yīng)等待5min之后才能開始試驗(yàn)。另外，鐘罩與音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)裝置還需利用空調(diào)、干燥器等設(shè)旋保證標(biāo)定所需的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。

 

      3.2 消除標(biāo)定壓力與標(biāo)定溫度的影響

 

      標(biāo)定裝置必須立于空間足夠大的試驗(yàn)室內(nèi)，保證標(biāo)準(zhǔn)裝置、待測渦輪表不在單方向受熱（如太陽的輻射、加熱器或其他熱源）。試驗(yàn)室中的溫度變化不得超過20±5℃的溫度范圍。由于渦輪表進(jìn)入精度的流量范圍與表壓及當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫τ嘘P(guān)，所應(yīng)明確指出標(biāo)定時(shí)的表壓及當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Α?/div>