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摘要:在天然氣輸送管道與貿(mào)易計量、城市燃氣工商業(yè)用戶的流量計量中，常采用氣體渦輪流量計。氣體渦輪流量計發(fā)展歷史悠久，也積累了相當?shù)奶烊粴鈶?yīng)用數(shù)據(jù)，被認為計量精度高、適用性良好的天然氣流量計量儀表。由于使用場所的工作條件各不相同，工作壓力根據(jù)應(yīng)用的需要一般從幾千帕到幾兆帕，而在我國的計量機構(gòu)一般采用負壓裝置檢定。對于在不同壓力條件下，氣體渦輪流量計的計量特性的數(shù)據(jù)還非常缺乏。
　　天然氣作為重要的潔凈能源，近幾年在城市中的應(yīng)用迅猛發(fā)展。城市高壓天然氣管網(wǎng)，給城市提供天然氣關(guān)系到千家萬戶，然而天然氣是一種非理想氣體，實際輸送的壓力高于常壓。在遇到天然氣輸送管線泄漏或檢修時會導(dǎo)致天然氣壓力大幅波動;或者由于天然氣輸送管線中出現(xiàn)民用高峰期時，也會造成天然氣壓力波動等。
　　現(xiàn)在國內(nèi)的氣體流量計生產(chǎn)廠家一般采用音速噴嘴或鐘罩法來進行產(chǎn)品檢定，而出于經(jīng)濟上和技術(shù)上的考慮，它們中的大多數(shù)使用的是負壓法的音速文丘里噴嘴檢定裝置。而采用負壓法的裝置上只能用空氣作介質(zhì)對流量計進行常壓檢定，但是流量計的實際工作環(huán)境要遠比此復(fù)雜。在低壓力下標定后在高壓力下使用，在低密度下標定后在高密度下使用，流量計儀表系數(shù)都有改變的可能，那么，壓力的增加、密度的變化會對氣體流量計的儀表系數(shù)產(chǎn)生多大的影響［1］根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻研究得出，影響儀表系數(shù)變化的因素有:(1)介質(zhì)密度的影響。(2)粘度變化的影響。(3)溫度變化的影響。(4)壓力變化的影響等。
　　氣體渦輪流量計作為目前國內(nèi)少數(shù)能在高壓下計量的流量計，對其在不同氣體流體壓力下的計量性能進行試驗，主要分析渦輪流量計在氣體流體的不同壓力下，流量計儀表系數(shù)的變化情況，驗證其計量性能是否能夠滿足計量要求。
1氣體渦輪流量計的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
　　渦輪流量計由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。將渦輪流量計感知流體流速的渦輪組件(包括前后導(dǎo)流體、葉輪、軸承、殼體、信號檢測組件)統(tǒng)稱為渦輪流量傳感器。圖1為渦輪流量計的基本結(jié)構(gòu)圖。

　　根據(jù)動量守恒定律通過渦輪受理過程進行分析，可以比較直觀地描述基本工作過程，流體通過時推動葉輪，產(chǎn)生主動力矩。氣體渦輪流量計屬于速度式流量計，渦輪流量傳感器輸出與流量成正比關(guān)系的脈沖頻率，輸入到流量顯示儀表或計算機。在某一流量范圍和一定粘度范圍內(nèi)，渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率f與通過渦輪流量計的體積流量qV成正比［4］，即:
f=KqV　　　　　　　　　(1)
　　式中，K為渦輪流量計的儀表系數(shù)，1/L或1/m3，儀表系數(shù)K應(yīng)為一常數(shù)，其數(shù)值由實驗標準標定得到。每臺渦輪流量傳感器的校準(或合格)證上都標明經(jīng)過實流檢定測得分段不同流量范圍的儀表系數(shù)K值。
儀表系數(shù)K的意義是單位體積流量通過渦輪流量傳感器輸出的信號脈沖頻率f(或信號脈沖總數(shù)N)。所以，當測得傳感器輸出的信號脈沖頻率或某一時間內(nèi)的脈沖總數(shù)N后，分別除以儀表系數(shù)K，就可得到體積流量qV或流量總量Q，即:

　　要使渦輪流量計能夠較準確的工作，其儀表系數(shù)K必須為常數(shù)。但實際上渦輪流量計的工作特性并非如此，即:

　　式中，r為葉輪的平均半徑;ρ為流體的密度;A為流通截面積;θ為渦輪葉片與軸線的夾角;Trm為機械摩擦阻力矩;Trf為流體阻力矩。
以DN50為例，其流量特性曲線如圖2所示。

　　在理想狀態(tài)下，也就是假定渦輪處于勻速運動的平衡狀態(tài)，機械摩擦阻力矩Trm和流體阻力矩Trf都足夠小至可以忽略不計的狀態(tài)，儀表系數(shù)與流量的關(guān)系為

　　可見，理想特性僅僅與渦輪流量計的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，儀表系數(shù)為一個常數(shù)，與流體變化無關(guān)。
2試驗
　　試驗選用1臺TBQM-G65-DN50和1臺TBQM-G100-DN80口徑的氣體渦輪流量計作為對象，流量范圍分別為6.5～100m3/h和8～160m3/h。依照JJG1037—2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》規(guī)定，流量檢定點應(yīng)包括qmax、0.7qmax、0.40qmax、0.25qmax、qt、0.1qmax、qmin。所以，相應(yīng)的TBQM-G65-DN50的流量檢定點為:100、70、40、25、20、10、6.5m3/h;TBQM-G100-DN80的流量檢定點為:160、112、64、40、32、16、8m3/h，其中每個流量點測試3次。
2.1檢定所用的裝置
　　采用DresserInnovativeGasMeteringSolutions裝置進行負壓檢定，如圖3所示，其流量范圍為0.5～1600m3/h，檢測口徑為DN25～DN150，不確定度為0.25%。

　　高壓環(huán)道氣體流量標準裝置，如圖4所示，該裝置可在實際工作的壓力狀態(tài)下檢測流量計的性能，其流量范圍為1～2500m3/h，檢測口徑為DN20～DN250，工作壓力范圍為0.1～2.0MPa，不確定度為0.33%。采用該套裝置進行壓力為0.1MPa、0.8MPa和2.0MPa的檢定。

2.2檢定所得儀表系數(shù)
　　不同壓力下每個流量計的儀表系數(shù)如表1和表2所示。

流量計儀表系數(shù):

　　式中，K為流量計的儀表系數(shù)，1/m3;(Ki)max為流量計在qt到qmax流量范圍各流量檢定點得到的Ki中的最大值，1/m3;(Ki)min為流量計在qt到qmax流量范圍各流量檢定點得到的Ki中的最小值，1/m3。
計算所得的不同壓力下儀表系數(shù)如表3和表4所示。


2.3檢定數(shù)據(jù)處理與分析
2.3.1儀表系數(shù)分析
　　根據(jù)表1和表2繪制得到不同壓力下氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)特性，如圖5和圖6所示。


　　隨著工作壓力的變化，渦輪流量計儀表系數(shù)的變化很小。參考JJG1037—2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》計量檢定規(guī)程中流量計的重復(fù)性的計算方法，可以定義不同壓力下渦輪流量計儀表系數(shù)的重復(fù)性為:

　　式中:(Er)i為不同工作壓力下流量計儀表系數(shù)的重復(fù)性，%;Ki為不同工作壓力下流量計儀表系數(shù)的平均系數(shù)，1/m3;Kij為第i種工作壓力下流量計的儀表系數(shù)，1/m3;n為不同工作壓力的個數(shù)。
計算得出TBQM-G65-DN50在不同工作壓力下流量計儀表系數(shù)的重復(fù)性:

2.3.2線性度分析
　　歐洲標準EN12261:2002的有關(guān)規(guī)定———第5.2.1.1款［5］，本款對于儀表的固有性能提出了嚴格的要求，即如果儀表特性試驗在多于一個壓力下進行，對于公稱口徑大于100mm的流量計，在0.25qmax和qmax之間的所有結(jié)果間的差不得大于0.5%，對于公稱口徑小于等于100mm的流量計，在0.25qmax和qmax之間的所有結(jié)果間的差不得大于1.0%。
　　根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)進行計算，對于TBQM-G65-DN50，所有檢定結(jié)果最大差值為0.558%;TBQM-G100-DN80的所有檢定結(jié)果最大差值為0.904%，結(jié)果均符合標準。
2.4小結(jié)
(1)根據(jù)式(6)計算出的在不同工作壓力下流量計儀表系數(shù)的重復(fù)性，說明渦輪流量計儀表系數(shù)受壓力變化的敏感性較小。TBQM-G65-DN50在4種不同壓力下流量計儀表系數(shù)變化的重復(fù)性僅為0.502%，而TBQM-G100-DN80的重復(fù)性僅為0.282%。
(2)隨著工作壓力的變化，渦輪流量計線性度變化不大。說明流體工作壓力的變化對渦輪流量計的線性度影響很小。圖5和圖6是在4種不同壓力下2臺氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)隨流量變化的曲線。從圖中可以很直觀地看出，在流量的上下限之間，壓力對渦輪流量計儀表系數(shù)的影響。4種不同壓力下的曲線型一致性很好，也與圖2中理論的特性曲線有較好的符合性，只是高壓相較于低壓曲線整體向上漂移。
(3)經(jīng)過計算分析，流量計符合歐洲標準EN12261的有關(guān)規(guī)定———第5.2.1.1款。
(4)此外，根據(jù)所有線性度結(jié)果計算得出，壓力的變化對儀表系數(shù)的影響小于流量變化的影響。
3儀表系數(shù)研究討論
3.1流量顯示裝置
　　前文已經(jīng)提到，渦輪流量計是由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。目前公知的渦輪流量計大概采用以下幾種流量顯示儀表:帶字輪的機械計算器、帶溫度和壓力補償?shù)碾娮语@示裝置、流量計算機和帶無線遠傳功能的電子顯示裝置等。
　　上述提到的顯示裝置除了流量計算機，其余都是通過機芯上主軸的蝸桿與齒輪的配合傳遞扭矩，并通過齒輪減速傳動以及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動字輪計數(shù)器轉(zhuǎn)動而得到流量累積與顯示，俗稱低頻取信號方式。流量計算機包含兩種取信號方式，如前文所述的低頻，另外一種是直接取葉輪轉(zhuǎn)動的信號，俗稱高頻。
3.2機械計數(shù)器齒輪調(diào)整
　　渦輪流量計出廠前用取高頻信號方法進行標定，然后根據(jù)得出儀表系數(shù)進行機械計數(shù)器內(nèi)齒輪配對，傳動比盡量接近標定出的儀表系數(shù)。也就是說，我們可以調(diào)整齒輪配對以滿足儀表系數(shù)的變化。
　　從上文得知，不同壓力波動是存在的，若流量計工作壓力波動范圍較小，建議其在實際工作壓力下進行相應(yīng)測試按其檢定數(shù)據(jù)配齒，使實際傳動比的理論儀表系數(shù)盡可能接近在該壓力點下測試的儀表系數(shù)，流量計的計量將更加準確。
　　但是，機械計數(shù)器有一缺點，調(diào)配出的儀表系數(shù)是固定，只能對某一流量點進行修正，不能對所有流量點修正。所以對于某些流量點來說，誤差可能還是存在的。
3.3電子表頭修正
　　二次電子顯示裝置、體積修正儀、流量計算機等俗稱電子表頭，其液晶屏幕上可顯示多種信息，比如瞬時流量、總流量、溫度和壓力等。電子表頭含有非常多的功能，可以根據(jù)溫度壓力對流體體積進行修正，可以根據(jù)流量或者表壓的不同進行儀表系數(shù)的調(diào)整，使在用流量計的流量特性曲線接近一條直線，這就大大提高了流量計的精度。帶電子表頭的渦輪流量計很好地解決了帶機械計數(shù)器流量計存在的問題，其可以進行每個流量點的儀表系數(shù)修正。然而，它也同樣有缺點，比如說安全防爆問題，還有電子表頭價格昂貴，不便于普及。
4結(jié)束語
　　氣體渦輪流量計儀表系數(shù)受壓力變化的敏感性較小，TBQM-G65-DN50的儀表系數(shù)變化的重復(fù)性僅為0.502%，而TBQM-G100-DN80的重復(fù)性僅為0.282%。隨著工作壓力的變化，渦輪流量計線性度變化不大。在4種不同壓力下2臺氣體渦輪流量計的儀表系數(shù)曲線型一致性很好，與理論的特性曲線有很好的符合性，只是對于DN50口徑的氣體渦輪流量計來說，高壓相較于低壓曲線整體向上漂移，而DN80口徑的氣體渦輪流量計相對穩(wěn)定，波動更小。流量計符合歐洲標準EN12261的有關(guān)規(guī)定———第5.2.1.1款。壓力的變化對儀表系數(shù)的影響小于流量變化的影響。
雖然在不同壓力下，氣體渦輪流量計的儀表性能有些許波動，但是靠著機械計數(shù)器和電子表頭的調(diào)整或修正，其儀表性能將能加穩(wěn)定且準確。
　　鑒于目前的試驗研究還不夠系統(tǒng)和全面，需開展進一步的研究才能明確不同壓力下對氣體渦輪流量計的影響，特別是檢定的介質(zhì)如能用天然氣，那么試驗結(jié)果將更具說服力。

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