如何精確測(cè)量小管徑氫氣一直是困擾我公司的一個(gè)問題。由于氫氣的密度很小，且受溫度、壓力變化的影響較大，我公司經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，最終選定帶溫度、壓力補(bǔ)償功能的智能氣體渦輪流量計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量氣體介質(zhì)的目的。

 

    本文通過對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的工作原理、測(cè)量原理、計(jì)算公式、檢定、標(biāo)定、優(yōu)點(diǎn)和注意事項(xiàng)的闡述，并從實(shí)際測(cè)量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對(duì)氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量的相關(guān)影響，供同行參考。

 

    一、氣體渦輪流量計(jì)的工作原理

 

    渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表，當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)渦輪流量計(jì)時(shí)，流體的動(dòng)能作用于渦輪的螺旋葉片上，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩Td，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩必須克服同樣作用于渦輪上流過葉片的流體黏性阻力矩Ti、軸承阻力矩Tb、輪殼端部摩擦阻力矩Tw、頂隙阻力矩Tt和作用于輪殼的流體黏性摩擦阻力矩Th。由此可建立渦輪的運(yùn)動(dòng)微分方程：

 

    

 

    式中：J———渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω——渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度；τ——時(shí)間。

 

    當(dāng)流量恒定時(shí)，即渦輪處于勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，以上驅(qū)動(dòng)力矩與阻力力矩相等，則有

 

    

 

    有力矩均與來流速度呈一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)來流速度變化時(shí)，其平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以看出，渦輪的流量與轉(zhuǎn)速并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，其力矩與來流速度的函數(shù)關(guān)系與渦輪的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，這就是渦輪流量計(jì)的基本數(shù)學(xué)模型。

 

    二、TBQZ系列智能氣體渦輪流量計(jì)的測(cè)量原理

 

    我公司采用的是浙江某儀表公司生產(chǎn)的TBQZ系列智能氣體渦輪流量計(jì)，它是集流量、溫度、壓力檢測(cè)功能于一體，并能進(jìn)行溫度、壓力、壓縮因子自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男乱淮髁坑?jì)。其工作原理如下：當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，首先經(jīng)過獨(dú)立機(jī)芯的前導(dǎo)流體并加速，流體的動(dòng)能作用于渦輪的葉片上，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時(shí)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始。當(dāng)諸力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與流量呈線性關(guān)系，通過旋轉(zhuǎn)的發(fā)信盤上的磁體周期性地改變傳感器磁阻，從而在傳感器兩端感應(yīng)出與流體體積流量成正比的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)前置放大器放大、整形后和壓力傳感器、溫度傳感器檢測(cè)到的壓力、溫度信號(hào)同時(shí)輸出給流量積算儀進(jìn)行處理，直接顯示標(biāo)準(zhǔn)體積流量和標(biāo)準(zhǔn)體積總量。

 

    三、氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)算公式

 

    由于是對(duì)氣體的測(cè)量，與溫度、壓力有關(guān)系，并將不同工況條件下的氣體體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的（P=101.325kPa，T=293.15K）的體積流量，其氣態(tài)方程為

 

    

 

    式中：Qn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3/h；Qg——未經(jīng)修正的體積流量；Pg——流量計(jì)壓力檢測(cè)點(diǎn)處的表壓，kPa；Pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮?，kPa；Tg——介質(zhì)的絕對(duì)溫度（273.15+t），K；t——被測(cè)介質(zhì)攝氏溫度，℃；Zn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Zg——工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，293.15K；Pn——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325kPa。

 

    我公司采用的儀表以20℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）作為統(tǒng)一基準(zhǔn)。儀表顯示的壓力就是絕對(duì)壓力，即Pg+Pa，被測(cè)氣體的溫度也可直接測(cè)出，通過公式將工況轉(zhuǎn)換為標(biāo)況，儀表上可以直接顯示出總量、標(biāo)況、工況、工況的溫度、絕對(duì)壓力，使用非常方便。

 

    四、壓縮因子對(duì)氫氣的影響分析

 

    大家都知道天然氣必須經(jīng)過壓縮因子修正，由于檢測(cè)的氣體為氫氣，根據(jù)廠家提供的氫氣在不同的溫度對(duì)應(yīng)的不同的壓力下所測(cè)出的氫氣壓縮系數(shù)修正因子，如表1所示。

 

表1 氫氣壓縮系數(shù)修正因子

 

 

 

    由表1可以看出，壓縮因子均在0.99~1.0006范圍內(nèi)，0.6MPa以內(nèi)若不修正，誤差僅小于0.3%。

 

 

 

    五、智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定

 

    對(duì)智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定與普通氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定一樣，目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)儀表換算系數(shù)、準(zhǔn)確度、重復(fù)性、瞬時(shí)流量等技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定和實(shí)時(shí)程序?qū)懭?，以及?duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計(jì)的智能化，有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設(shè)定，標(biāo)定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計(jì)算功能，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)流量測(cè)量的修正和補(bǔ)償目的，提高了計(jì)量準(zhǔn)確度。由于產(chǎn)品出廠的時(shí)候都經(jīng)過標(biāo)定，即將流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器分別進(jìn)行檢定，因此，用戶使用時(shí)一般不需要更改儀表內(nèi)置的參數(shù)。

 

    六、智能氣體渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

 

    結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工零部件少，重量輕，基本不用維護(hù)，穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，量程比寬（1：20），集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體，可對(duì)被測(cè)氣體溫度、壓力自動(dòng)跟蹤修正，直接計(jì)量氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量和總量，配有整體性能優(yōu)良的整流器，對(duì)前后直管段要求很低（前>2DN，后>1DN）。

 

    七、智能氣體渦輪流量計(jì)的注意事項(xiàng)

 

    根據(jù)氣體渦輪流量計(jì)的工作特性，要保證渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量，正確的選型、安裝、使用是關(guān)鍵。被測(cè)氣體必須干凈，安裝管道一定要清掃。此前，我們以為一臺(tái)渦輪流量計(jì)損壞了，返回廠家修理后才知是管道內(nèi)的微小雜質(zhì)將渦輪卡住了，所以在儀表之前安裝了一臺(tái)配套設(shè)備——氣體過濾器，以利于渦輪流量計(jì)的正常使用。

 

    八、結(jié)束語

 

    通過3個(gè)月的運(yùn)行觀察，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工藝條件，該渦輪流量計(jì)測(cè)得的流量跟工藝用量基本一致，滿足我們的計(jì)量要求。