氣體渦輪流量計K-qv曲線特性研究

陳文琳，劉敦利

新疆維吾爾自治區計量測試研究院 （新疆 烏魯木齊 830011）

氣體渦輪流量計具有精度高、測量范圍寬、重復性好、壓力損失小、耐高壓、多種顯示方式、安裝維修方便、耐腐蝕等優點[1]，已被廣泛應用于天然氣貿易結算計量，甚至還作為量值傳遞的標準儀表[2]。

根據其計量原理，流量計的傳感器應有一個經標準裝置檢定給出的儀表系數，其精度和流量范圍必須滿足流量計技術規范的要求，正確的儀表系數值是保證流量計計量精度的最基本保證。在理想狀態下，也就是假定渦輪處于勻速運動的平衡狀態，機械摩擦阻力矩和流體阻力矩都足夠小甚至可以忽略不計的狀態，儀表系數與流量的關系為（1）式[3]：

式中：f為脈沖頻率；qv為流體體積流量；Z為渦輪葉片數；θ為葉片結構角；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的結構參數有關，與流體的流動狀況無關，儀表系數為一個常數，在K-qv圖上為一平行于橫軸的直線。

在已報道的很多文獻及書籍中，作者都通過建立數學模型來對氣體渦輪流量計的工作特性進行較為詳細地分析與描述[1,3-4]。但在實際應用的過程中，儀表系數K與流量qv之間呈現出來的關系究竟是否符合已有的結論呢？而對于標稱流量范圍之外，尤其是當實際流量超出標稱流量上限后，儀表系數與流量之間的關系又呈現什么樣的狀態呢？目前這方面還鮮有人進行研究。對此基于以下實驗進行相關分析。

1 實驗方案

1.1 環境條件

溫度24～25℃，相對濕度 30%～35%，大氣壓力94～95kPa，采用表后取壓。

1.2 實驗設計

實驗選用了1臺某公司生產的TBQZ-80C型DN80的氣體渦輪流量計，其標稱流量范圍為20～400m3/h，精度等級為1.0級。由于實驗是研究性的而不是對流量計的檢定，并考慮到實驗用臨界流噴嘴氣體流量標準裝置實際情況，將流量檢定范圍確定為[5]：1m3/h～1.5qmax，即 1～600m3/h。 在流量范圍內均勻選取35個流量點，共進行188組實驗，得到的流量計K-qv曲線如圖1所示。

圖1 實驗得渦輪流量計K-qv特性曲線

2 數據分析

由表1實驗數據知，在1m3/h時無信號輸出，2m3/h時開始有流量，說明其始動流量在1～2m3/h之間[6]。在流量計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K隨著流量qv的增大而迅速增大，此時流體處于層流流動狀態，其特性受軸承摩擦力、流體黏性阻力影響較大[3]；當流量低于0.8qmin時，儀表系數隨著流量迅速變化，其測量誤差在流量計的允差范圍外，儀表系數本身不準確，不能作為實際檢測流量。

儀表系數K在30m3/h處出現峰值，該點為層流與紊流的交界點，在此之后流體處于紊流狀態，儀表系數則開始呈現出常數的特征，當流體黏度確定時，儀表系數與傳感器的結構尺寸有關；而在qmax～1.5qmax的流量范圍內，儀表系數仍然具有非常好的穩定性。具體儀表系數及線性度、重復性列于表1。

依據 JJG 1037-2008《渦輪流量計》國家計量檢定規程，渦輪流量計的儀表系數K、線性度EL和重復性Er分別定義為：

式中：(Er)i為第i個測量點的系數重復性；Ki為第i個流量點的平均儀表系數；n為第i個流量點的測量次數；Kij為第i個流量點第j次測量得到的儀表系數值為流量計儀表系數值；(Ki)max為各流量點系數Ki中最大值；(Ki)min為各流量點系數Ki中最小值；EL為線性度。

從表1中數據可以看出，在qmin～0.2qmax的流量范圍內，儀表系數出現峰值，線性度為0.590%，重復性為0.069%，其測量誤差已在允差范圍內（±2%），符合流量計精度要求；在0.2qmax～1.5qmax的流量范圍內，儀表系數始終處于穩定的狀態，尤其是在qmax～1.5qmax的流量范圍內，線性度僅為0.109%，重復性高達0.046%，儀表系數變化幅度非常小，流量計的測量準確度就非常高。

表1 不同流量范圍內的儀表系數及線性度、重復性

3 結論與討論

實驗通過對不同流量范圍內儀表系數與流量關系的研究，可以看出，渦輪流量計儀表系數可以分為兩段[7]即線性段和非線性段。非線性段內儀表系數隨流量變化有較大變化，線性段儀表系數也有一定變化，但幅度非常小。而在qmax～1.5qmax的范圍內，儀表系數仍然處于非常穩定的狀態。該實驗結論是其他研究中沒有涉及到的，對渦輪流量計的實際應用具有一定的參考意義。

從流量計的使用壽命方面考慮，對于每日儀表實際運行時間不超過8h的斷續工作場合，選擇實際使用時最大流量的1.3倍作為流量范圍上限，對于每日儀表實際運行時間不低于8h的連續工作場合，選擇實際使用時最大流量的1.4倍作為流量范圍上限，而儀表下限流量以實際使用最小流量的0.8倍為合適[8]。本次實驗結果也證明在這些流量范圍內儀表系數是符合檢測精度要求的。

[1]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試[M].2版.北京：中國計量出版社，2007.

[2]陳佳.如何提高渦輪流量計的計量準確性[J].產業與科技論壇，2011，10(4)：111.

[3]蘇彥勛，楊有濤.流量檢測技術[M].北京：中國質檢出版社，2012.

[4]楊彤.氣體渦街流量計和渦輪流量計儀表系數實驗研究[D].天津：天津大學，2007.

[5]JJG 1037-2008渦輪流量計檢定規程[S].

[6]薛春玲，應啟戛.氣體渦輪流量計使用中兩個重要問題的解答[J].自動化儀表，2005，26(1)，58-59.

[7]呂寒英，王東.氣體渦輪流量計應用探討[J].工業計量，2004（增刊），83-86.

[8]丁巧.氣體渦輪流量計的選型和使用[J].中國計量，2005(1)：55-56.