流量计系列产品
 
 

涡轮流量计的工作特性及对液体流量的计量

发布时间:2017-12-25
 

摘要:介绍了用较低精度和重复性好的涡轮流量计构成的较高准确度的计量系统,以及计量系统不确定度的合成方法,并列出了确定流量系数的计算公式。
涡轮流量计是人们常用的一种流量测量仪表,由于它具有重复性好、适应性强、量程比宽等优点,加上智能化显示控制仪表的出现,在准确度要求较高的计量场合得到了广泛的采用。虽然近年来出现的科里奥利质量流量计能直接测量流体的质量,且准确度高,但价格昂贵,安装要求较高,阻碍了它的应用。这样,用涡轮流量计间接测量液体的质量流量就成为人们首选方案之一。这里首先说明一下,储罐液位的高度不同,流过流量计的流量也不同。如果液体有几m的高度差,瞬时流量就有较大的变化,以致使计量大大超差。当选用精度为0.5%的涡轮流量计时,如何保证计量要求的精度(不大于0.3%)呢?从下文可以看出,涡轮流量计的精度是表示流量变化范围内的流量系数的变化大小,那么要准确测量液体流量就有两种方法:第一种方法是固定通过涡轮的液体流量(即恒定流速法),这种方法构成的计量系统安装量大,但检定很容易;第二种方法是根据流量的不同来修正流量系数,这种方法虽然安装量小,但检定比较麻烦,因为要根据储罐内液面的不同高度,来确定几个流量系数,以精确计算流量。下面详细介绍第一种方法。
1、涡轮流量计的工作特性
1.1工作原理
涡轮流量计是利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度的流量计,与流量成正比的叶轮转速通常由安装在管道外的检测装置检出,它由涡轮流量传感器和显示仪表组成。
流经变送器的流体体积流量qv可用下式表示:
qv=f/K   (1)
式中:f为电信号的频率,它同叶轮转动频率有正比关系;K为常数,亦称仪表系数。
式(1)也可改成
K=f/qv
由上式可看出,仪表系数K是变送器输出电信号的频率f(次/s)同流经仪表的液体体积流量qv(L/s)的比值,K的单位是次/L。输出频率信号的流量计都有仪表系数这一特征常数,它能帮助了解和掌握仪表性能,同时也对流量仪表的检定有重要意义。
1.2工作特性
K-qv的关系曲线称为涡轮流量计的特性曲线如图1所示。

理论上,K-qv关系应该是确定的,但实际上由于在不同的流动状态下,流体产生阻力机理不同,效果也不同,所以使特性曲线成为曲线形状。
①在层流区,当qv>qmin时为层流流动状态,仪表系数K将随流量qv的增加而增大。
②在紊流流动状态下,仪表系数K仅与仪表本身结构参数有关,而与流量qv、流体粘度μ等参数无关,可近似为一常数。只有在这种状态下,仪表系数K才真正显示了常数的性质。仪表系数K为常数的这个区间,也就是该流量计的流量测量范围。
③图1中虚线为涡轮流量计的理想特性,若只有这种特性,不论流量如何变化,总可以使累积流量、瞬时流量的误差为零。图1中实线为一般涡轮流量计特性曲线的大致趋势,在进入测量范围(即进入紊流流动
状态)以内,随流量的变化其仪表系数K也会有变化,通常其变化幅度左右流量计的测量精度。
④在层流与紊流叫交界点(Re=2300)上,特性曲线上K有一个峰值,其位置受流体粘度的影响较大。
由图1可以看出,如果流速恒定,那么系数K也就有唯一确定的值。下面提出通过恒定液位(即系统压头)的方法来恒定流速,构成一个恒流速计量系统。
2、液体计量控制系统
2.1系统构成

2.2各部分说明
①涡轮流量计:由于这里涡轮流量计是用于发货计量,所以应选择较高的精度,如0.5%~0.1%,由于它的再现性可达0.05%,所以即使选择0.5%精度的,系统的计量也可望达到很高的准确度。
②显示控制仪:现在有不少的流量显示控制仪,它不仅能够显示流体的瞬时流量和累积流量,还可实时检测流体温度,对流量进行温度补偿,同时当累积流量达到某一设定值时,发出控制信号,以关闭电磁阀和流量泵。
③高位槽:也称高位溢流槽,它通过溢流堰板保证高位槽液面的恒定,这样可保证整个液体流程中的压头一定,那么流体的流速也就一定,从图1中可以看出,瞬时流qv一定时,仪表系数K也就有唯一确定的值。
④温度计:用于质量流量计量时的密度补偿。因为在用实流标定流量计时,总是在某一温度下进行,那么偏离这一温度的流量计量也就存在着较大偏差,通常通过检测实际温度来补偿这一偏差。这里要选择反应时间很短的热电阻,以及时有效地进行补偿,因为有些液体不仅不同批次温度不同,就是同一次发货,刚开始的一段时间与其后的温度也大不一样。    
3、系数的确定
计量系统的校验分两项内容,第一是对系数K的确定,第二是对系统温度补偿的有效性进行评定。液体的密度ρ是温度t的函数,在一定的温度范围内,可用二次多项式来表示,也可通过回归法求得函数式ρ=f(t),都能得到较好的拟合效果。当然温度补偿的有效性如何,还要通过校验来证明,这个工作可以在实验室内进行。
系数K的确定方法:首先以涡轮上的系数记为K'输入显示控制仪表,把标定所用的流体重量设定为G'm;启动流量系统;然后把计量过的流体用汽车衡或磅秤称重,其值设为Gm。这时的流量系数K可通过下式计算出来:
K=K'G'm/Gm   (2)
把K值输入显示仪表,再计量重量Gm的液体,通过称量法来校对是否超差。
确定系数K时所用的流体重量要大于1~2t,以减少其它因素对计算K值的影响。当发货的批量较少时,如几十kg,这时的计量可能超差,这主要是由于电磁阀不能及时关闭造成的,有的显示控制仪对此有特别的考虑。
实际上,其它输入频率信号的流量计,如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、涡轮流量计等都可以用式(2)来确定流量系数。
4、系统计量的不确定度
此系统的计量误差来源由以下几项:
①流量系数的重复性误差:δ1=0.05%;
②流量显示仪表的误差:接受频率信号的流量仪表,其积算精度一般可达0.1%,这里取δ2=0.1%;
③系数标定时所用衡器的误差:δ3=0.1%;
④由于温度不能完全有效补偿而引入的误差;这个误差通常很小,在此不予考虑。
用方和根法合成的总不确定度为

这个结果用于贸易结算的计量是完全符合要求的。