适宜气体涡轮流量计标定精度的分析

1 前言

     由于生产的发展，煤碳、燃油的使用增加过快，造成环境污染越来越严重，为此大力发展燃气、煤气、沼气等清洁燃料的使用成为解决环境问题的一个重要手段，并且已取得了很大成效。燃气事业的发展使燃气贸易计量的准确性更加重要。因此，寻求高精度的计量仪表已成为燃气贸易中的一个不可忽视的重要问题，而标定方法和标定系统的选择是直接关系到流量计实际计量精度的关键。气体涡轮流量计（以下简称“涡轮表”）是速度式的流量测量仪表，具有量程宽（量程比Qmax：Qmin可达10：1至20：1）、重复性好等优点。在国内外燃气、石油化工等行业得到了广泛的使用。尽管涡轮表本身计量准确、精度高，但若出厂时对其标定不够准确，则直接影响其计量精度。在国外每台涡轮表投入使用前都一定要进行严格的标定，所用的标准装置主要为“标准气体涡轮流量计”、“音速喷嘴”、“钟罩式标准计量器”、“标准滚筒气体流量计”、“标准旋转叶片气体流量计”等，其中前3种为常用的标准装置。为了保持其作为贸易结算依据及其公证性、准确性，提高气体涡轮流量计标定精度成为迫在眉睫的任务。

2 影响标定精度的因素

2.1 标准装置的影响

简要介绍3种标准装置：

    标准气体涡轮流量计具有标定精度高、标定速度快、成本低等优点，但随着时间的推移，由于其内部轴承及其他运动部件的磨损会造成标准涡轮表本身性能的改变，从而降低标定精度。因此标准涡轮表本身需要定期进行标定。且标准涡轮表口径越小，通过气体的流量越小，其精度受内部运动部件磨损的影响趋势也越大。因此，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装置。

    音速喷嘴的流体力学原理是：当喷嘴上游侧的气体通过喷嘴流出时，若喷嘴后的压力P1与喷嘴前的压力P0之比P1/P0小于某临界值时（当以空气为介质时为0.528），则在喷嘴出口截面上气流达到音速，并当压比P1/P0继续减少时，气流速度仍保持音速不变，于是在连接有被标定流量计的系统中产生固定不变的临界流量，再与所用时间相乘，可知通过标准装置的体积数。因此可作为流量标准装置来校验流量计。理想条件下音速喷嘴的标定精度很高，但气体是有粘性的，所以气体通过喷嘴时，要产生能损失，因而造成标定误差。误差的大小与喷嘴形状、几何尺寸、表面加工质量及流过喉径的气体雷诺数有关。

     钟罩式标准计量器标定流量计的流量范围受钟罩容积大小的制约。当钟罩体积较小时，测量过程中与待测表相比较的体积数就较小。则随机误差会变大，影响涡轮表大流量测试点的标定精度。设钟罩容积为V容，下降时间约为1分钟，则其所能测试的较大流量：

Q较大=60×V容（m3/h）

  另外，影响音速喷嘴、钟罩式标准装的标定精度的因素还有容器内气体温度在短时间内不均匀，气体的含水量过大。环境的温度、湿度和压力变化等。

  了解不同标准装置的特点，就可在实际标定中选择合适的标准装置。在条件允许的情况下尽可能地选用高精度的标准装置，因为标准装置本身的精度和操作程序直接影响待测涡轮表的标定精度。

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变大。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一定要引入雷诺数（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才能显示了常数的性质。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较小流量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较小流量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要去除、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，则不能保持测量值的精度。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。一般同技术量点至少测试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较压力；

      TN、Tc 分别为通过标准装置和待测表的气体较温度；

      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%，所以一定要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。保持喉径的加工精度，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，以保持大流量点标定的精度。为了保持水质的清洁，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、干燥器等设旋保持标定所需的标准环境。

3.2 去000000除标定压力与标定温度的影响

    标定装置一定要立于空间足够大的试验室内，保持标准装置、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较过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 除标定系统中管路设计方面的影响

    为了很好地去除旋转流．应在涡轮表前安装必要的直管段，且较好在涡轮表前加装整流器，并保持管道及流量计密封垫片良好定位，不使突出。为了保持流体的正常流动特性，去除流量计后的各种管件、阀门的不良影响，流量计后也应保持至少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，其精度一定要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

    计算待测表的误差一定要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专业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，保持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）选择适宜设计方案，选择高精度的温度、压力传感器、定时装置等辅助设旋，其精度一定要高于待测涡轮表所需精度1~2级，将系统误差降为较小。

  （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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