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)易計量的準(zhǔn)確性更加重要。因此，尋求高精度的計量儀表已成為燃?xì)赓Q(mào)易中的一個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)系到流量計實(shí)際計量精度的關(guān)鍵。氣體渦輪流量計（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)狻⑹突さ刃袠I(yè)得到了廣泛的使用。盡管渦輪表本身計量準(zhǔn)確、精度高，但若出廠時對其標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，則直接影響其計量精度。在國外每臺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”、“音速噴嘴”、“鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)計量器”、“標(biāo)準(zhǔn)滾筒氣體流量計”、“標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)葉片氣體流量計”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)，但隨著時間的推移，由于其內(nèi)部軸承及其他運(yùn)動部件的磨損會造成標(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（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，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（當(dāng)以空氣為介質(zhì)時為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，氣流速度仍保持音速不變，于是在連接有被標(biāo)定流量計的系統(tǒng)中產(chǎn)生固定不變的臨界流量，再與所用時間相乘，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。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，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)計量器標(biāo)定流量計的流量范圍受鐘罩容積大小的制約。當(dāng)鐘罩體積較小時，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 渦輪表的流動特性

 

      當(dāng)流量大于始動流量值后，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將成為影響流量計特性的主要困素。相對來說，由軸承及其它機(jī)械傳動部件摩擦產(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，所以對層流流動狀態(tài)和紊流流動狀態(tài)將分別進(jìn)行討論。

 

      區(qū)分層流流動狀態(tài)和紊流流動狀態(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)動粘度。

 

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

 

      在層流流動狀態(tài)時，流體流動阻力矩T與流體動力牯度（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。

 

      在紊流流動狀態(tài)時，流體流動阻力矩T與流體密度和Q2成正比．此時可計流體粘度的影響．即T=C2ρQ2，式中，C2為常數(shù)，代入式（1）可知：在紊流流動狀態(tài)時，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)的這個區(qū)間，也就是該流量計的最佳測量范圍。

 

      2.2.2 溫度、壓力的變化對標(biāo)定精度影響的分析

 

      運(yùn)動粘度ν為動力粘度與流體密度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)定壓力不會太高，可以不考慮Z的影響。

 

      2.4 速度分布畸變對標(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狀態(tài)的影響。對其進(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、或由于安裝流量計時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、定時器、脈沖計數(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。且可能會影響氣體的流動狀態(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)的分析處理對標(biāo)定精度的影響

 

      因?yàn)闅怏w渦輪流量計是計量一段時間內(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，所造成的誤差將會很大。

 

      對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)。對于每個流量再進(jìn)行如下的數(shù)據(jù)分析，設(shè)：

 

      V＇、V 分別為時間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壓力；

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

      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，把一次項(xiàng)后的誤差計算舍去，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（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)定時的表壓及當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Α?/div>