摘要:在天然氣輸送管道與貿(mào)易計(jì)量、城市燃?xì)夤ど虡I(yè)用戶的流量計(jì)量中，常采用dn25氣體渦輪流量計(jì)。dn25氣體渦輪流量計(jì)發(fā)展歷史悠久，也積累了相當(dāng)?shù)奶烊粴鈶?yīng)用數(shù)據(jù)，被認(rèn)為計(jì)量準(zhǔn)確度高、適用性良好的天然氣流量計(jì)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(jì)量機(jī)構(gòu)一般采用負(fù)壓裝置檢定。對(duì)于在不同壓力條件下，dn25氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量特性的數(shù)據(jù)還非常缺乏。文章基于具備流量計(jì)制造生產(chǎn)的條件下，分別對(duì)不同規(guī)格的dn25氣體渦輪流量計(jì)在臨界流噴嘴流量裝置、高壓環(huán)道流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定，試驗(yàn)壓力分別為負(fù)壓、0.1MPa、0.8MPa和2.0MPa，從而探索dn25氣體渦輪流量計(jì)在不同壓力下的計(jì)量特性，供dn25氣體渦輪流量計(jì)制造企業(yè)作為設(shè)計(jì)及改進(jìn)的參考。
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(shí)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(shí)會(huì)導(dǎo)致天然氣壓力大幅波動(dòng);或者由于天然氣輸送管線中出現(xiàn)民用高峰期時(shí)，也會(huì)造成天然氣壓力波動(dòng)等。
現(xiàn)在國內(nèi)的氣體流量計(jì)生產(chǎn)廠家一般采用音速噴嘴或鐘罩法來進(jìn)行產(chǎn)品檢定，而出于經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的考慮，它們中的大多數(shù)使用的是負(fù)壓法的音速文丘里噴嘴檢定裝置。而采用負(fù)壓法的裝置上只能用空氣作介質(zhì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行常壓檢定，但是流量計(jì)的實(shí)際工作環(huán)境要遠(yuǎn)比此復(fù)雜。在低壓力下標(biāo)定后在高壓力下使用，在低密度下標(biāo)定后在高密度下使用，流量計(jì)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(huì)對(duì)氣體流量計(jì)的儀表系數(shù)產(chǎn)生多大的影響?根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)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。
dn25氣體渦輪流量計(jì)作為目前國內(nèi)少數(shù)能在高壓下計(jì)量的流量計(jì)，本文將對(duì)其在不同氣體流體壓力下的計(jì)量性能進(jìn)行研究及試驗(yàn)，主要分析渦輪流量計(jì)在氣體流體的不同壓力下，流量計(jì)儀表系數(shù)的變化情況，驗(yàn)證其計(jì)量性能是否能夠滿足計(jì)量要求。
1dn25氣體渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。將渦輪流量計(jì)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(hào)檢測組件)統(tǒng)稱為渦輪流量傳感器。圖1為渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)動(dòng)量守恒定律通過渦輪受理過程進(jìn)行分析，可以比較直觀地描述基本工作過程，流體通過時(shí)推動(dòng)葉輪，產(chǎn)生主動(dòng)力矩。dn25氣體渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，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(jì)算機(jī)。在某**量范圍和一定粘度范圍內(nèi)，渦輪流量計(jì)輸出的信號(hào)脈沖頻率f與通過渦輪流量計(jì)的體積流量qV成正比，即:
f=KqV   (1)
式中，K為渦輪流量計(jì)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定得到。每臺(tái)渦輪流量傳感器的校準(zhǔn)(或合格)證上都標(biāo)明經(jīng)過實(shí)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(hào)脈沖頻率f(或信號(hào)脈沖總數(shù)N)。所以，當(dāng)測得傳感器輸出的信號(hào)脈沖頻率或某一時(shí)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(jì)能夠較準(zhǔn)確的工作，其儀表系數(shù)K必須為常數(shù)。但實(shí)際上渦輪流量計(jì)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(jī)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(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)，機(jī)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(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，儀表系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，與流體變化無關(guān)。
2試驗(yàn)
試驗(yàn)選用了采用我司研發(fā)生產(chǎn)的1臺(tái)TBQM-G65-DN50和1臺(tái)TBQM-G100-DN80口徑的dn25氣體渦輪流量計(jì)作為研究對(duì)象，流量范圍分別為6.5～100m3/h和8～160m3/h。依照J(rèn)JG1037—2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定，流量檢定點(diǎn)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(diǎn)為:100、70、40、25、20、10、6.5m3/h;TBQM-G100-DN80的流量檢定點(diǎn)為:160、112、64、40、32、16、8m3/h，其中每個(gè)流量點(diǎn)測試3次。
2.1檢定所用的裝置
采用DresserInnovativeGasMeteringSolutions裝置進(jìn)行負(fù)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(biāo)準(zhǔn)裝置，如圖4所示，該裝置可在實(shí)際工作的壓力狀態(tài)下檢測流量計(jì)的性能，主要部件都來自德國，是國內(nèi)*臺(tái)閉環(huán)式高壓氣體裝置。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%。目前，我司的高壓環(huán)道裝置已將量傳到歐洲VSL國際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，也正在申請(qǐng)國內(nèi)取證和建標(biāo)，并且正在和浙江省院以及中國計(jì)量院做實(shí)驗(yàn)對(duì)比工作。采用該套裝置進(jìn)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(gè)流量計(jì)的儀表系數(shù)如表1和表2所示。

流量計(jì)儀表系數(shù):

式中，K為流量計(jì)的儀表系數(shù)，1/m3;(Ki)max為流量計(jì)在qt到qmax流量范圍各流量檢定點(diǎn)得到的Ki中的*大值，1/m3;(Ki)min為流量計(jì)在qt到qmax流量范圍各流量檢定點(diǎn)得到的Ki中的*小值，1/m3。
計(jì)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dn25氣體渦輪流量計(jì)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(jì)儀表系數(shù)的變化很小。參考JJG1037—2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》計(jì)量檢定規(guī)程中流量計(jì)的重復(fù)性的計(jì)算方法，可以定義不同壓力下渦輪流量計(jì)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(jì)儀表系數(shù)的重復(fù)性，%;Ki為不同工作壓力下流量計(jì)儀表系數(shù)的平均系數(shù)，1/m3;Kij為*i種工作壓力下流量計(jì)的儀表系數(shù)，1/m3;n為不同工作壓力的個(gè)數(shù)。
計(jì)算得出TBQM-G65-DN50在不同工作壓力下流量計(jì)儀表系數(shù)的重復(fù)性:

2.3.2線性度分析
歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12261:2002的有關(guān)規(guī)定———*5.2.1.1款，本款對(duì)于儀表的固有性能提出了嚴(yán)格的要求，即如果儀表特性試驗(yàn)在多于一個(gè)壓力下進(jìn)行，對(duì)于公稱口徑大于100mm的流量計(jì)，在0.25qmax和qmax之間的所有結(jié)果間的差不得大于0.5%，對(duì)于公稱口徑小于等于100mm的流量計(jì)，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(jìn)行計(jì)算，對(duì)于TBQM-G65-DN50，所有檢定結(jié)果*大差值為0.558%;TBQM-G100-DN80的所有檢定結(jié)果*大差值為0.904%，結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)。
2.4小結(jié)
(1)根據(jù)式(6)計(jì)算出的在不同工作壓力下流量計(jì)儀表系數(shù)的重復(fù)性，說明渦輪流量計(jì)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(jì)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(jì)線性度變化不大。說明流體工作壓力的變化對(duì)渦輪流量計(jì)的線性度影響很小。圖5和圖6是在4種不同壓力下2臺(tái)dn25氣體渦輪流量計(jì)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(duì)渦輪流量計(jì)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(jì)算分析，流量計(jì)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12261的有關(guān)規(guī)定———*5.2.1.1款。
(4)此外，根據(jù)所有線性度結(jié)果計(jì)算得出，壓力的變化對(duì)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(jì)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(jì)大概采用以下幾種流量顯示儀表:帶字輪的機(jī)械計(jì)算器、帶溫度和壓力補(bǔ)償?shù)碾娮语@示裝置、流量計(jì)算機(jī)和帶無線遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)，其余都是通過機(jī)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(dòng)以及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動(dòng)字輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)而得到流量累積與顯示，俗稱低頻取信號(hào)方式。流量計(jì)算機(jī)包含兩種取信號(hào)方式，如前文所述的低頻，另外一種是直接取葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，俗稱高頻。
3.2機(jī)械計(jì)數(shù)器齒輪調(diào)整
渦輪流量計(jì)出廠前用取高頻信號(hào)方法進(jìn)行標(biāo)定，然后根據(jù)得出儀表系數(shù)進(jìn)行機(jī)械計(jì)數(shù)器內(nèi)齒輪配對(duì)，傳動(dòng)比盡量接近標(biāo)定出的儀表系數(shù)。也就是說，我們可以調(diào)整齒輪配對(duì)以滿足儀表系數(shù)的變化。
從上文得知，不同壓力波動(dòng)是存在的，若流量計(jì)工作壓力波動(dòng)范圍較小，建議其在實(shí)際工作壓力下進(jìn)行相應(yīng)測試按其檢定數(shù)據(jù)配齒，使實(shí)際傳動(dòng)比的理論儀表系數(shù)盡可能接近在該壓力點(diǎn)下測試的儀表系數(shù)，流量計(jì)的計(jì)量將更加精確。
但是，機(jī)械計(jì)數(shù)器有一缺點(diǎn)，調(diào)配出的儀表系數(shù)是固定，只能對(duì)某**量點(diǎn)進(jìn)行修正，不能對(duì)所有流量點(diǎn)修正。所以對(duì)于某些流量點(diǎn)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(jì)算機(jī)等俗稱電子表頭，其液晶屏幕上可顯示多種信息，比如瞬時(shí)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(duì)流體體積進(jìn)行修正，可以根據(jù)流量或者表壓的不同進(jìn)行儀表系數(shù)的調(diào)整，使在用流量計(jì)的流量特性曲線接近一條直線，這就大大提高了流量計(jì)的準(zhǔn)確度。帶電子表頭的渦輪流量計(jì)很好地解決了帶機(jī)械計(jì)數(shù)器流量計(jì)存在的問題，其可以進(jìn)行每個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)修正。然而，它也同樣有缺點(diǎn)，比如說安全防爆問題，還有電子表頭價(jià)格昂貴，不便于普及。
4結(jié)束語
dn25氣體渦輪流量計(jì)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(jì)線性度變化不大。在4種不同壓力下2臺(tái)dn25氣體渦輪流量計(jì)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(duì)于DN50口徑的dn25氣體渦輪流量計(jì)來說，高壓相較于低壓曲線整體向上漂移，而DN80口徑的dn25氣體渦輪流量計(jì)相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)更小。流量計(jì)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12261的有關(guān)規(guī)定———*5.2.1.1款。壓力的變化對(duì)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，dn25氣體渦輪流量計(jì)的儀表性能有些許波動(dòng)，但是靠著機(jī)械計(jì)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(zhǔn)確。
鑒于目前的試驗(yàn)研究還不夠系統(tǒng)和全面，需開展進(jìn)一步的研究才能明確不同壓力下對(duì)dn25氣體渦輪流量計(jì)的影響，特別是檢定的介質(zhì)如能用天然氣，那么試驗(yàn)結(jié)果將更具說服力。