气体涡轮流量计K-qv曲线特性研究

陈文琳，刘敦利

新疆维吾尔自治区计量测试研究院 （新疆 乌鲁木齐 830011）

气体涡轮流量计具有精度高、测量范围宽、重复性好、压力损失小、耐高压、多种显示方式、安装维修方便、耐腐蚀等优点[1]，已被广泛应用于天然气贸易结算计量，甚至还作为量值传递的标准仪表[2]。

根据其计量原理，流量计的传感器应有一个经标准装置检定给出的仪表系数，其精度和流量范围必须满足流量计技术规范的要求，正确的仪表系数值是保证流量计计量精度的最基本保证。在理想状态下，也就是假定涡轮处于匀速运动的平衡状态，机械摩擦阻力矩和流体阻力矩都足够小甚至可以忽略不计的状态，仪表系数与流量的关系为（1）式[3]：

式中：f为脉冲频率；qv为流体体积流量；Z为涡轮叶片数；θ为叶片结构角；A为流通截面积；r为叶片平均半径。

可见，理想特性仅与涡轮流量计的结构参数有关，与流体的流动状况无关，仪表系数为一个常数，在K-qv图上为一平行于横轴的直线。

在已报道的很多文献及书籍中，作者都通过建立数学模型来对气体涡轮流量计的工作特性进行较为详细地分析与描述[1,3-4]。但在实际应用的过程中，仪表系数K与流量qv之间呈现出来的关系究竟是否符合已有的结论呢？而对于标称流量范围之外，尤其是当实际流量超出标称流量上限后，仪表系数与流量之间的关系又呈现什么样的状态呢？目前这方面还鲜有人进行研究。对此基于以下实验进行相关分析。

1 实验方案

1.1 环境条件

温度24～25℃，相对湿度 30%～35%，大气压力94～95kPa，采用表后取压。

1.2 实验设计

实验选用了1台某公司生产的TBQZ-80C型DN80的气体涡轮流量计，其标称流量范围为20～400m3/h，精度等级为1.0级。由于实验是研究性的而不是对流量计的检定，并考虑到实验用临界流喷嘴气体流量标准装置实际情况，将流量检定范围确定为[5]：1m3/h～1.5qmax，即 1～600m3/h。 在流量范围内均匀选取35个流量点，共进行188组实验，得到的流量计K-qv曲线如图1所示。

图1 实验得涡轮流量计K-qv特性曲线

2 数据分析

由表1实验数据知，在1m3/h时无信号输出，2m3/h时开始有流量，说明其始动流量在1～2m3/h之间[6]。在流量计的流量大于始动流量而小于传感器流量下限的情况下，仪表系数K随着流量qv的增大而迅速增大，此时流体处于层流流动状态，其特性受轴承摩擦力、流体黏性阻力影响较大[3]；当流量低于0.8qmin时，仪表系数随着流量迅速变化，其测量误差在流量计的允差范围外，仪表系数本身不准确，不能作为实际检测流量。

仪表系数K在30m3/h处出现峰值，该点为层流与紊流的交界点，在此之后流体处于紊流状态，仪表系数则开始呈现出常数的特征，当流体黏度确定时，仪表系数与传感器的结构尺寸有关；而在qmax～1.5qmax的流量范围内，仪表系数仍然具有非常好的稳定性。具体仪表系数及线性度、重复性列于表1。

依据 JJG 1037-2008《涡轮流量计》国家计量检定规程，涡轮流量计的仪表系数K、线性度EL和重复性Er分别定义为：

式中：(Er)i为第i个测量点的系数重复性；Ki为第i个流量点的平均仪表系数；n为第i个流量点的测量次数；Kij为第i个流量点第j次测量得到的仪表系数值为流量计仪表系数值；(Ki)max为各流量点系数Ki中最大值；(Ki)min为各流量点系数Ki中最小值；EL为线性度。

从表1中数据可以看出，在qmin～0.2qmax的流量范围内，仪表系数出现峰值，线性度为0.590%，重复性为0.069%，其测量误差已在允差范围内（±2%），符合流量计精度要求；在0.2qmax～1.5qmax的流量范围内，仪表系数始终处于稳定的状态，尤其是在qmax～1.5qmax的流量范围内，线性度仅为0.109%，重复性高达0.046%，仪表系数变化幅度非常小，流量计的测量准确度就非常高。

表1 不同流量范围内的仪表系数及线性度、重复性

3 结论与讨论

实验通过对不同流量范围内仪表系数与流量关系的研究，可以看出，涡轮流量计仪表系数可以分为两段[7]即线性段和非线性段。非线性段内仪表系数随流量变化有较大变化，线性段仪表系数也有一定变化，但幅度非常小。而在qmax～1.5qmax的范围内，仪表系数仍然处于非常稳定的状态。该实验结论是其他研究中没有涉及到的，对涡轮流量计的实际应用具有一定的参考意义。

从流量计的使用寿命方面考虑，对于每日仪表实际运行时间不超过8h的断续工作场合，选择实际使用时最大流量的1.3倍作为流量范围上限，对于每日仪表实际运行时间不低于8h的连续工作场合，选择实际使用时最大流量的1.4倍作为流量范围上限，而仪表下限流量以实际使用最小流量的0.8倍为合适[8]。本次实验结果也证明在这些流量范围内仪表系数是符合检测精度要求的。

[1]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].2版.北京：中国计量出版社，2007.

[2]陈佳.如何提高涡轮流量计的计量准确性[J].产业与科技论坛，2011，10(4)：111.

[3]苏彦勋，杨有涛.流量检测技术[M].北京：中国质检出版社，2012.

[4]杨彤.气体涡街流量计和涡轮流量计仪表系数实验研究[D].天津：天津大学，2007.

[5]JJG 1037-2008涡轮流量计检定规程[S].

[6]薛春玲，应启戛.气体涡轮流量计使用中两个重要问题的解答[J].自动化仪表，2005，26(1)，58-59.

[7]吕寒英，王东.气体涡轮流量计应用探讨[J].工业计量，2004（增刊），83-86.

[8]丁巧.气体涡轮流量计的选型和使用[J].中国计量，2005(1)：55-56.