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            研究氣體羅茨流量計系數、壓力及壓力損失參數特征曲線的變化規律

            作者: 來源: 發布時間:2018-01-27 14:17:30

                摘 要: 研究氣體羅茨流量計不同參數的計量特征,充分了解其計量性能,更好的選型和應用。選擇一臺合格且運行穩定的氣體羅茨流量計,選取了 26 個流量點的 78 組測量數據研究儀表系數、壓力及壓力損失等參數特征曲線的變化規律。結果顯示隨著流量點的增大,儀表系數先線性增長后基本穩定,壓力值不斷下降,壓力損失則不斷增長; 與此同時,在實驗管段上流量計前 10D、表體、后 1D、3D、5D 和 10D 位置處分別取壓,并選擇 0. 25qmax 、0. 50qmax 和 0. 75qmax 流量點進行實驗,從實驗數據中分析研究取壓位置對不同流量點的儀表系數的影響。結果證明,氣體羅茨流量計的計量特性曲線呈現不同的變化趨勢,在選型和應用中應充分考慮這些特征。

                0、引言:
                氣體羅茨流量計是一種傳統的測量流量的儀表 。氣體羅茨流表,廣泛應用于工業、科研等領域 量計屬于容積式流量儀表,其特征是利用計量腔內部腰輪的旋轉來實現計量的目的 。該儀表主要由殼體、腰輪、機械傳動和數據顯示( 信號遠傳) 等 。當被測流體流經流量計時,腰輪受流部分組成 體推動順時針轉動,驅動齒輪帶動下邊腰輪反時針旋轉,腰輪旋轉 360° 時,有 4 倍于計量室有效容積的流體排出流量計。這樣,兩個腰輪交換驅動旋轉,隨著腰輪的轉動,流體經由計量室不斷排出。腰輪每轉一圈排出的流體體積是一個固定值,即排出量與腰輪軸轉速成正比,通過腰輪軸及其它傳動機構,傳遞到積算顯示部分。
                只要計量室內部配合間隙設計、組裝合理,它就會有較高的精度和較低的流量 。氣體羅茨流量計由于前后不需要直管段,在旋轉流和管道阻流件的流速場畸變的情況下對計量的,準確度影響很小 可以安裝在環境狹窄的場合。氣體羅茨流量計不涉及流態方程,與氣體流態( 如流線分布、阻力損失、雷諾數等) 關系很小,始動流量小,量程比寬,適用于計量負荷變動大的氣體流量 。
                一般氣體羅茨流量計依據 JJG 633 - 2005 氣體容積式流量計檢定規程,誤差按其流量計示值誤差進行計算,但在實際工作中,經常碰到一些氣體羅茨流量計輸出是脈沖數。根據其計量原理,流量計的傳感器應有一個經標準裝置檢定給出的儀表系數,其精度和流量范圍必須滿足流量計技術規范的要求,氣體羅茨流量計的儀表系數是衡量流量計準確 。與此同時,氣體羅度和線性度的一個重要指標。
                茨流量計的計量特性還涉及到流量計壓力、壓力損,失和取壓位置等方面 這些特性也是衡量流量計重復性、測量范圍和應用條件等性能的重要內 。
                研究這些計量特性,能夠有利于充分了解氣容體羅茨流量計的計量性能,對更好的選型和應用提供有效的參考價值。
             
                1、實驗方案:
                基于上述目的,實驗選擇了三暢儀表一臺運行良好的氣體羅茨流量計: 口徑 80mm、標稱流量范圍 5 ~ 150m3 /h、準確度等級 1. 5 級,在氣體流量標準裝置[10-11] 。氣體流量標上進行實驗,實驗采用表前取壓 準裝置為臨界流文丘里噴嘴法裝置,流量范圍 0 ~ 15000m3 /h,擴展不確定度 U = 0. 25% ( k = 2) ,是在用的新疆地區內zui高氣體流量計量標準。
                實驗流量點設計為從 0 ~ 1. 4qmax 之間選擇 20 個點,基本均勻分布在整個范圍內,zui小流量為 3m3 / h,zui大流量 210m3 /h; 每個流量點測量 3 次,取其算術平均值作為測量結果; 每次測量時間為 30s; 采用脈沖輸出測量方式。考慮到對關鍵流量點的重復性實驗,把 qmin 、qt 、0. 25qmax 、0. 5qmax 、0. 75qmax 、qmax 等流量點間隔一段時間重復進行多次測量,因此共測量流量點 26 個。

                2、數據分析:
             
                2.1、儀表系數特性曲線分析:
                實驗得到儀表系數特征曲線如圖 1 所示。圖中,隨著流量的增大,儀表系數從始動流量 3m3 /h處開始迅速增大,在流量點 10m3 /h 時達到拐點,以后隨著流量點的增大儀表系數誤差都在精度范圍內。由于考慮到流量計的測量能力,zui大流量點設為 210m3 /h,即 1. 4qmax ,對于更大流量點的儀表系數變化情況本次試驗沒有做更多考慮。在小流量時,誤差急劇地向負方向傾斜,隨著流量的增加,誤差逐漸向正方向移動,當流量很大時,誤差又有向負方向傾斜的趨勢,但在 qmax ~ 1. 4qmax 流量范圍內,儀表系數變化仍然具有很好的穩定性。


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                圖 1  流量計儀表系數特性曲線

                2.2、壓力和壓力損失特征曲線:
                圖2 中反映了流量計壓力和壓力損失特征曲線。隨著流量的增加,流體壓力逐漸減小,壓力損失則不斷增加。引起壓力損失的原因有: 一是由流量計測量元件動作的機械阻力產生的壓力損失; 二是由流體粘度造成的流動阻力引起的壓力損失 。對于本次實驗的氣體羅茨流量計,在流量較大時,腰輪旋轉引起的機械阻力是產生壓力損失的主要原因。
                從圖 1 和圖 2 的特征曲線中可以看出,以zui大流量 150m3 /h 為拐點,儀表系數呈現持續下降的趨勢,而壓力損失也以更快的速度開始增加。這是由于隨著流量的增大,羅茨流量計壓力損失增加,其漏失流量也增加,因此,儀表系數誤差開始向負方向傾斜 。


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            圖 2 流量計壓力及壓力損失與流量點之間的關系特性


                在現場使用的過程中,一方面由于環境變化,流量計的脈沖數、實際安裝管道的溫度、實際管道絕對壓力對儀表系數會產生很大的影響; 另一方面,由于儀表使用的時間加長,流量介質中雜質多,對儀表主體磨損比較嚴重,也會對流量計的系數產生影響,所以,儀表系數不是固定不變的,每次檢定之后,根據儀表的檢定結果,須對系數進行重新修訂,使儀表本身達到檢定標準,減少實際誤差 。
             
                3、結果與討論:
                氣體羅茨流量計的儀表系數與壓力損失是衡量其計量性能的重要指標之一。本文基于上述實驗和數據分析,可以得出,在小流量時,誤差急劇地向負方向傾斜,隨著流量的增加,誤差逐漸向正方向移動; 當流量很大時,誤差又有向負方向傾斜的趨勢,但在 qmax ~ 1. 4qmax 流量范圍內,儀表系數變化仍然具有很好的穩定性。
                隨著流量的增加,流體壓力逐漸減小,壓力損失則不斷增加。以zui大流量 150m3 /h 為拐點,儀表系數持續呈現下降的趨勢,而壓力損失也以更快的速度開始增加。
                在對氣體羅茨流量計選型過程中,應充分考慮以下兩個方面因素:
                1) 流量范圍: 氣體羅茨流量計的流量范圍與被測介質的種類、使用頻率、測量準確度等因素有關,用于間歇測量時,其流量范圍較大; 對于測量準確度,用于低準確度測量時,流量范圍較大,高準確度測量時,流量范圍較小。為了保持儀表良好的性能和較長的使用壽命,使用時zui大流量zui好應選在儀表zui大流量的( 70 ~ 80) %。
                2) 耐壓性能和壓力損失: 氣體羅茨流量計的工作壓力主要由流量計殼體來承受,對工作壓力的不同要求,應選用不同材質的受壓部件,以免引起使用上的不安全。壓力損失也是選擇流量計時必須考慮的重要問題,尤其是大流量使用時,更應注意核算流量計的壓力損失能否滿足用戶的要求。
                此外,還可以通過以下措施提高羅茨流量計計量準確度:
                1) 由于流量計轉子與殼體之間間隙較小,大于 間隙的顆粒雜質不能通過,為防止卡堵,應選擇適當的過濾器,并特別注意在投產使用前氣體需走旁路,以防施工中的焊渣、雜質進入流量計。        
                2) 對流量計要加強監護,定期進行潤滑。 
                3) 流量計在應用中必須定期進行校驗,以確保其準確度。         
                4  取壓位置影響研究     
                在直管段上呈線性開孔,取壓孔位置依次為表前 10D、表體、表后 1D、表后 3D、表后 5D、表后 10D。 
                選擇 0. 25qmax 、0. 50qmax 和 0. 75qmax 3 個流量點,每個流量點測量 3 次,每次測量不少于 30s,取算術平均值作為測量結果。
                如表 1 所示,在所有流量點、所有取壓位置處的壓力和儀表系數誤差均處于合格范圍內,zui大值為-0. 14%。順著實驗管段方向,不同取壓位置處壓力值和儀表系數在表前、表體和表后 3 個取壓位置逐漸減小,但在表后 4 個取壓位置處基本不變。隨著流量的增大,相同取壓位置處的壓力和儀表系數誤差也逐漸增大。整體來說,表前取壓方式的壓力和儀表系數誤差小于表后取壓。
                由此說明,取壓位置的選擇對于氣體羅茨流量計影響不大,都在誤差允許范圍內。采用表前取壓時,壓力和儀表系數誤差均為正值。采用表后取壓時,壓力和儀表系數均為負值,且不同取壓位置對測量結果的影響程度基本相同。對于氣體羅茨流量計,根據 JJG633-2005 氣體容積式流量計檢定規程“測壓位置在流量計上游側”,實驗結果也具有一致性,采用表前取壓方式能夠更準確反映流量計的計量性能,如果不能實現也可以采用表后取壓。

             

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