摘要：在一個(gè)體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)一種新型渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。和傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)不同,該新型渦輪流量計(jì)的葉輪采用3葉片長(zhǎng)螺旋形結(jié)構(gòu),且沒有軸,軸承直接套在葉輪罩上。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過葉輪結(jié)構(gòu).上的改進(jìn).流量計(jì)的抗流動(dòng)干擾能力明顯增強(qiáng),不過由于該流量計(jì)的葉輪較大，小流量時(shí)流量計(jì)儀表系數(shù)受到流體黏性阻力和軸承摩擦阻力影響要比大流量時(shí)的影響大因此.在量程范圍內(nèi)依據(jù)檢定規(guī)程計(jì)算得到流量計(jì)的最大示值誤差為0.2069,但重復(fù)性非常好,為0.077%。利用分段插值方法對(duì)流量計(jì)的儀表系數(shù)進(jìn)行修正后重新進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明該修正方法取得較好的效果,流量計(jì)的相對(duì)示值誤差在+0.3%內(nèi)。
0引言.
渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì),具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等領(lǐng)域,并被應(yīng)用于貿(mào)易計(jì)量”。但是渦輪流量計(jì)的計(jì)量特性易受到來流的速度分布和旋轉(zhuǎn)流的影響(3-61,限制了其在安裝空間受限的場(chǎng)合使用。
筆者在傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)葉輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用3葉片長(zhǎng)的螺旋形葉輪結(jié)構(gòu),使流量計(jì)的抗流動(dòng)干擾能力得到了極大的改善。本文對(duì)該新型渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能在一一個(gè)用于檢定容積式流量計(jì)的體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。
1新型渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)
渦輪流量計(jì)內(nèi)的葉輪是流量信號(hào)檢測(cè)部件,其作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過葉輪旋轉(zhuǎn)，在葉片.上取出與流量成正比的頻率信號(hào)。與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)不同,該新型渦輪流量計(jì)的葉輪采用的是3葉片長(zhǎng)螺旋型結(jié)構(gòu),葉輪外加一一個(gè)葉輪罩;葉輪罩加工成為兩端對(duì)稱的臺(tái)階形式,其中間部分和流量計(jì)內(nèi)殼之間的間隙非常小，只有0.1~0.2mm;葉輪輪轂兩端采用半橢球形結(jié)構(gòu),以緩和流量計(jì)進(jìn)、出口速度分布的急劇變化，提高葉輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及降低壓力損失。另外,該流量計(jì)沒有轉(zhuǎn)軸,軸承直接套在葉輪罩上,軸承的定位通過前、后導(dǎo)流架和葉輪罩上的臺(tái)階來實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、便于安裝維護(hù),在加工工藝上易于實(shí)現(xiàn)既定的公差要求，從而確保葉輪在殼體內(nèi)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn).新型渦輪流量計(jì)的計(jì)量特性上也表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的不同之處。一是由于該流量計(jì)的葉輪尺寸較大,葉輪需要較大流量推動(dòng)才開始轉(zhuǎn)動(dòng)，故始動(dòng)流量較大;而且小流量時(shí),作用在葉輪上的流體粘性阻力矩和軸承摩擦力矩對(duì)流量計(jì)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度的影響要比大流量時(shí)嚴(yán)重得多,因此,流量計(jì)的儀表系數(shù)在整個(gè)量程范圍內(nèi)的線性度不好,需要對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正。二是葉輪具有很強(qiáng)的“整流”作用因,主要是由于螺旋形葉輪結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很強(qiáng)的漩渦作用.加速和增大了葉輪結(jié)構(gòu)內(nèi)的紊流混合作用,實(shí)現(xiàn)了能在較短距離內(nèi)將含有不同流動(dòng)干擾量的流速整流成為相同的流速分布。三是流量計(jì)的流通能力降低，因此,壓力損失也要比傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的壓力損失大。新型渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示
2試驗(yàn)裝置
液體標(biāo)準(zhǔn)流量裝置為L(zhǎng)JG41型球式雙向體積管檢定裝置。該標(biāo)準(zhǔn)體積管的流量范圍為1~50m3/h,重復(fù)性優(yōu)于0.2%,準(zhǔn)確度為0.035%,標(biāo)準(zhǔn)體積為99.1344L。需要說明的是該檢定裝置主要是用于容積式流量計(jì)的檢定,因此,在安裝被檢流量計(jì)管段上游并沒有足夠長(zhǎng)的直管段,其上游直接.連接一個(gè)球閥，緊接著連接一個(gè)T型管路。主要是想利用這樣的流量檢定裝置來檢驗(yàn)該新型渦輪流量計(jì)是否具有容積式流量計(jì)的計(jì)量特點(diǎn)，即其上、:下游無需直管段。
該試驗(yàn)裝置檢定流量計(jì)的流程如圖2所示。進(jìn)行流量計(jì)檢定時(shí),根據(jù)JJG1037--2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》9)的要求，在流量計(jì)的上游安裝壓力傳感器,在流量計(jì)的下游安裝溫度傳感器。渦輪變送器與計(jì)算機(jī)采用屏蔽電纜連接。為了便于調(diào)節(jié)流量,同時(shí)把變送器與流量積算儀連接,根據(jù)積算儀的瞬時(shí)流量顯示，調(diào)節(jié)每個(gè)檢定點(diǎn)流量的大小，保證每個(gè)檢定點(diǎn)的流量符合檢定規(guī)程的要求。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1基本性能試驗(yàn)研究
該新型渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下:公稱直徑為50mm,流量范圍為6~30m'/h,計(jì)量準(zhǔn)確度為0.3級(jí),重復(fù)性優(yōu)于0.1%試驗(yàn)介質(zhì)為0號(hào)柴油,其運(yùn)動(dòng)粘度為3.6×10-6m2/s(20℃),環(huán)境溫度為9℃,相對(duì)濕度為65%。依據(jù)渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程中的要求選擇了6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)流量點(diǎn)的試驗(yàn)次數(shù)為6次。試驗(yàn)時(shí)同時(shí)記錄每個(gè)流量點(diǎn)的檢定條件。例如,對(duì)試驗(yàn)流量為21m3/h時(shí)記錄的試驗(yàn)條件如下:體積管液溫平均值為10.2℃,體積管表壓平均值為0.26MPa,流量計(jì)處液溫平均值為10.0℃,流量計(jì)處表壓平均值為0.2MPa。
結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),流量計(jì)的儀表系數(shù)、示值誤差.和重復(fù)性的計(jì)算過程如下.
1)檢定條件下體積管的實(shí)際體積的計(jì)算:
式中:Vij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體積管處的實(shí)際體積;Va為標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積;D為標(biāo)準(zhǔn)體積管的內(nèi)徑;e為標(biāo)準(zhǔn)體積管的厚度;E為標(biāo)準(zhǔn)體積管材料的彈性模量;(pa)ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體積管處液體壓力;β。為標(biāo)準(zhǔn)體積管的體膨脹系數(shù),(?s)ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體積管處液體溫度。
2)每個(gè)檢定點(diǎn)每次檢定時(shí)儀表系數(shù)的計(jì)算:
式中:Kij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)所得的儀表系數(shù);N;為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)流量計(jì)顯示儀表測(cè)得的脈沖數(shù);(?m)ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)流量計(jì)處的液體溫度;(pm)ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)流量計(jì)處的液體表壓力;β為檢定用液體在檢定狀態(tài)下的體膨脹系數(shù);κ為檢定用液體在檢定狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。
3)每個(gè)檢定點(diǎn)儀表系數(shù)的計(jì)算:
表1為6個(gè)流量檢定點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)式(1)至式(4)最后計(jì)算得到的每個(gè)檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)和重復(fù)性。然后分別依據(jù)式(6)計(jì)算得到該流量計(jì)的最大示值誤差為0.2069。試驗(yàn)結(jié)果說明該新型渦輪流量計(jì)的線性度非常不好,但流量計(jì)的重復(fù)性非常好,為0.077%,故可對(duì)該流量計(jì)的儀表系數(shù)進(jìn)行非線性修正,以擴(kuò)大其量程范圍0。另外,較好的測(cè)量重復(fù)性說明了該新型渦淪流量計(jì)具有較好的抗流動(dòng)干擾能力,與文獻(xiàn)[7]中的研究結(jié)論是相一致的。
3.2儀表系數(shù)修正
現(xiàn)有速度式流量計(jì)的儀表系數(shù)非線性修正常用的方法有線性插值法、三次樣條插值法和最小二乘法:1-12]�？紤]到新型渦輪流量計(jì)流量Q與儀表系數(shù)K的關(guān)系曲線為單調(diào)遞增關(guān)系，較適合采用線性插值方法進(jìn)行修正。以流量計(jì)檢定點(diǎn)作為插值函數(shù)的節(jié)點(diǎn)，即各檢定流量點(diǎn)Qi(i=0,1,.5)對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)為Ki(i=0,1,.5),采取分段插值對(duì)其他流量點(diǎn)的儀表系數(shù)進(jìn)行修正，具體的計(jì)算表式為:
為了考察流量計(jì)儀表系數(shù)修正效果,將6個(gè)檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)寫人流量積算儀，然后,在體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置上選擇10個(gè)非檢定流量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),所得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。Q表是流量積算儀的顯示值,Q標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)裝置的示值,8。是兩者的相對(duì)誤差,具體的計(jì)算公式為:
結(jié)果表明,通過儀表系數(shù)非線性修正，流量計(jì).的相對(duì)示值誤差在+0.3%之內(nèi),故實(shí)現(xiàn)了既定的設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)論
在體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)一新型渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于該新型渦輪流量計(jì)的葉輪采用了3葉片長(zhǎng)螺旋形結(jié)構(gòu),使流量計(jì)在抵抗來流速度畸變對(duì)計(jì)量特性的影響方面得到了明顯的改善,不過也導(dǎo)致了流量計(jì)的線性度非常差,但流量計(jì)的重復(fù)性非常好。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也表明,通過采用非線性修正后在全量程范圍內(nèi)該新型渦淪流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)可達(dá)0.3級(jí),從而為安裝空間受限場(chǎng)合,例如機(jī)動(dòng)油料裝備上,提供了高精度的流量計(jì)量裝置。
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