[導讀] 本文通過對氣體渦輪流量計的工作原理、測量原理、計算公式、檢定、標定、優(yōu)點和注意事項的闡述，并從實際測量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對氣體渦輪流量計測量的相關影響，供同行參考。
如何精確測量小管徑氫氣一直是困擾我公司的一個問題。由于氫氣的密度很小，且受溫度、壓力變化的影響較大，我公司經(jīng)現(xiàn)場檢驗，最終選定帶溫度、壓力補償功能的智能氣體渦輪流量計，以達到準確測量氣體介質(zhì)的目的。
本文通過對氣體渦輪流量計的工作原理、測量原理、計算公式、檢定、標定、優(yōu)點和注意事項的闡述，并從實際測量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對氣體渦輪流量計測量的相關影響，供同行參考。
渦輪流量計是一種速度式流量儀表，當被測流體流經(jīng)渦輪流量計時，流體的動能作用于渦輪的螺旋葉片上，產(chǎn)生驅(qū)動力矩Td，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩必須克服同樣作用于渦輪上流過葉片的流體黏性阻力矩Ti、軸承阻力矩Tb、輪殼端部摩擦阻力矩Tw、頂隙阻力矩Tt和作用于輪殼的流體黏性摩擦阻力矩Th。由此可建立渦輪的運動微分方程：
式中：J———渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω——渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度；τ——時間。
當流量恒定時，即渦輪處于勻速旋轉(zhuǎn)運動時，以上驅(qū)動力矩與阻力力矩相等，則有
有力矩均與來流速度呈一定的函數(shù)關系，當來流速度變化時，其平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。根據(jù)運動學的相關知識可以看出，渦輪的流量與轉(zhuǎn)速并不是簡單的線性關系，其力矩與來流速度的函數(shù)關系與渦輪的具體結構參數(shù)有關，這就是渦輪流量計的基本數(shù)學模型。
二、TBQZ系列智能氣體渦輪流量計的測量原理
我公司采用的是浙江某儀表公司生產(chǎn)的TBQZ系列智能氣體渦輪流量計，它是集流量、溫度、壓力檢測功能于一體，并能進行溫度、壓力、壓縮因子自動補償?shù)男乱淮髁坑嫛Ｆ涔ぷ髟砣缦拢寒敋饬鬟M入流量計時，首先經(jīng)過獨立機芯的前導流體并加速，流體的動能作用于渦輪的葉片上，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始。當諸力矩達到平衡時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，渦輪轉(zhuǎn)動角速度與流量呈線性關系，通過旋轉(zhuǎn)的發(fā)信盤上的磁體周期性地改變傳感器磁阻，從而在傳感器兩端感應出與流體體積流量成正比的脈沖信號，該信號經(jīng)前置放大器放大、整形后和壓力傳感器、溫度傳感器檢測到的壓力、溫度信號同時輸出給流量積算儀進行處理，直接顯示標準體積流量和標準體積總量。
三、氣體渦輪流量計的計算公式
由于是對氣體的測量，與溫度、壓力有關系，并將不同工況條件下的氣體體積流量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)下的（P=101.325kPa，T=293.15K）的體積流量，其氣態(tài)方程為
式中：Qn——標準狀態(tài)下的體積流量，m3/h；Qg——未經(jīng)修正的體積流量；Pg——流量計壓力檢測點處的表壓，kPa；Pa——當?shù)卮髿鈮海琸Pa；Tg——介質(zhì)的絕對溫度（273.15+t），K；t——被測介質(zhì)攝氏溫度，℃；Zn——標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Zg——工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Tn——標準狀態(tài)下的絕對溫度，293.15K；Pn——標準大氣壓，101.325kPa。
我公司采用的儀表以20℃、1個標準大氣壓（101.325kPa）作為統(tǒng)一基準。儀表顯示的壓力就是絕對壓力，即Pg+Pa，被測氣體的溫度也可直接測出，通過公式將工況轉(zhuǎn)換為標況，儀表上可以直接顯示出總量、標況、工況、工況的溫度、絕對壓力，使用非常方便。
四、壓縮因子對氫氣的影響分析
大家都知道天然氣必須經(jīng)過壓縮因子修正，由于檢測的氣體為氫氣，根據(jù)廠家提供的氫氣在不同的溫度對應的不同的壓力下所測出的氫氣壓縮系數(shù)修正因子，如表1所示。
表1 氫氣壓縮系數(shù)修正因子
由表1可以看出，壓縮因子均在0.99~1.0006范圍內(nèi)，0.6MPa以內(nèi)若不修正，誤差僅小于0.3%。
五、智能氣體渦輪流量計的標定和檢定
對智能氣體渦輪流量計的標定和檢定與普通氣體渦輪流量計的標定、檢定一樣，目的在于實現(xiàn)對流量計儀表換算系數(shù)、準確度、重復性、瞬時流量等技術指標的測定和實時程序?qū)懭耄约皩硕〝?shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計的智能化，有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設定，標定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計算功能，能夠很好地實現(xiàn)對流量測量的修正和補償目的，提高了計量準確度。由于產(chǎn)品出廠的時候都經(jīng)過標定，即將流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器分別進行檢定，因此，用戶使用時一般不需要更改儀表內(nèi)置的參數(shù)。
六、智能氣體渦輪流量計的優(yōu)點
結構簡單，加工零部件少，重量輕，基本不用維護，穩(wěn)定性好、準確度高、重復性好，量程比寬（1：20），集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體，可對被測氣體溫度、壓力自動跟蹤修正，直接計量氣體的標準體積流量和總量，配有整體性能優(yōu)良的整流器，對前后直管段要求很低（前>2DN，后>1DN）。
七、智能氣體渦輪流量計的注意事項
根據(jù)氣體渦輪流量計的工作特性，要保證渦輪流量計的準確計量，正確的選型、安裝、使用是關鍵。被測氣體必須干凈，安裝管道一定要清掃。此前，我們以為一臺渦輪流量計損壞了，返回廠家修理后才知是管道內(nèi)的微小雜質(zhì)將渦輪卡住了，所以在儀表之前安裝了一臺配套設備——氣體過濾器，以利于渦輪流量計的正常使用。
八、結束語
通過3個月的運行觀察，再結合現(xiàn)場的工藝條件，該渦輪流量計測得的流量跟工藝用量基本一致，滿足我們的計量要求。