渦輪流量計壓力變化與流量變化與儀表精度之間的關系，本文針對新研制的低能耗高精度渦輪流量計,就其變送器前后壓力變化與流量變化研究了其與儀表精度之間的關系,并量化了這一因果關系,提出了改善該型流量計精度的途徑。
渦輪流量計雖然自誕生也已20多年了,但對這種流量計的研究始終停留在起始階段。人們一直認為這種流量計精度高、測量范圍廣、壓力損失少、惰性小。但渦輪流量計的測量信號受到多種參數的影響,在使用中不予足夠的重視就會嚴重影響測量精度[1]。常規考慮了以下幾個因素。
1.壓力變化導致液體發生氣蝕而使精度下降,為此規定了每種流量計的防止流量計氣蝕的最小壓力。
2.溫度變化導致流量計金屬材料熱脹冷縮,幾何尺寸隨之變化而引起轉速的變化。
3.流體粘度影響到變送器葉輪的阻尼力,即影響到葉輪的轉速。
4.由特性曲線可知流量測量范圍必須在流量計的測量范圍之內,才能保證測量精度,否則,因儀表常數不恒定而產生誤差。
5.因為渦輪流量計為速度式儀表,流體的密度狀態不同,必然影響到質量流量的計量。
2 ΔP、Q與ΔQ的關系
目前,廠商提供的渦輪流量計,均規定了變送器前端的流體壓力等于或大于(δP+P1+PV)。其中δP為流體通過渦輪流量計,以驅動變送器渦輪旋轉,達到一定轉速所需的進口壓力;PV為被計量介質在最高溫度、最大流量下液體的汽化壓力。顯然,這個關系式是為了保證介質在通過變送器時,不發生氣化,防止氣蝕現象。
這里P入、P出分別為變送器前后兩側壓力,
∴ΔP=P入-P出≥(1-A)δP+P1+(1-B)PV
A、B為系數,由制造廠家對自己的產品通過實驗測定,而對線性度的要求,A、B兩值的保守估計應為3.0和1.5[3]。
由以上可以看出,對具體制造廠家提供的渦輪流量計,A、B均為常數,當介質一定時,PV也為常數,而δP與流量計的結構特性有關。
由于δP=KQ2(K為系數,Q為儀表顯示流量),在流量較大時,尤其在接近特性曲線的線性段上端B點附近,這時標定出來的儀表常數已經與實際流量的出入較大。因為Q增大,δP以平方正比關系增加,ΔP也會依附增加。假定葉輪為一與管道同心的圓柱面,則葉輪旋轉時,頂端的軸向速度分量對漏流量也有影響。
設計柵的流通面積為S0,渦輪轉速為n,葉輪的平均半徑為r0,葉片對渦輪軸線的傾角為α,則有
流量 Q為顯示流量
設葉輪外廓直徑尺寸為d,管道內徑為D,葉輪在軸線方向尺寸為L,單側間隙為δ=
由于同心環狀縫隙的非計量流量為
式中 d——葉輪外徑
μ——流體動力粘度
ΔΡ——變送器前后的壓力差
L——變送器葉輪軸向尺寸
δ——葉輪頂端到管內徑的單側間隙
由于葉片的旋轉位移方向在軸線方向上的分量將影響到縫隙中液流的速度,因此影響了縫隙的流量。故在上式中應考慮這一影響。
按圖2—1,葉片上任意點(半徑為r)處其切向速度和法向速度分別為
將δ=D-d2及儀表常數關系式代入上式,則:
上式中 ΔQ——誤差流量
Q——顯示流量
d——葉輪最大直徑
D——管道口內徑
μ——液體的運動粘度
L——葉輪的軸向尺寸
N——葉輪上葉片的個數
ξ——儀表常數
對于給定的儀表,上式即為:ΔQ=K1ΔP+K2Q
綜上所述,流量計所計量的液體的流量難以反映液體的真實流量,為此,應將漏液流量加在上式中。
即有:Q真=Q示+ΔQ
3 結論
1.渦輪流量計的測量精度受其葉輪幾何參數精確度的影響;
2.當流量Q較大并接近特性曲線線性段上端點時,變送器兩側的壓差會增大,導致顯示值較實際流量偏小。
3.所造成的誤差為
當已知ΔP及儀表所顯示流量時,便可通過上式求出漏顯的流量。
4.如果壓力變化ΔP′,則:ΔP←ΔP+ΔP′
故ΔP=K1ΔP+K1ΔP′+K2Q=K+K1ΔP′+K2Q
上式即為本文所反映的壓力變化K1ΔP′與流量Q與誤差ΔQ之間的關系式,如圖2-2所示。
5.為提高精度,一方面應提高變送器的設計精度及制造精度,另一方面應當穩定變送器兩側的壓力差及限制流量在特性曲線線性段部分的中點附近。