氣體渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)|計(jì)算|原理
什么是渦輪流量計(jì)：渦輪流量計(jì)屬于葉輪式速度流量計(jì)的一種,它和渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等,都是利用測量管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)速度來得到流量的。我們稱這種測量方法為流量的速度式測量方法,這是目前流量測量的主要方法之一。速度式流量計(jì)對(duì)管道內(nèi)流體的速度分布有一定的要求,流量計(jì)前必須有一定長度的直管段,以形成穩(wěn)定的速度分布,這是速度式流量計(jì)的一個(gè)共同特點(diǎn)。
眾所周知,置于流體中的葉輪是按與流速成正比的角速度旋轉(zhuǎn)的。通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度就可得到流體的流速,從而得到管道內(nèi)的流量值。在工業(yè)上使用的高準(zhǔn)確度葉輪式流量計(jì)就被稱為渦輪流量計(jì)。測量精度高是渦輪流量計(jì)的重要特點(diǎn),一般指示精度高達(dá)～,它還具有結(jié)構(gòu)較簡單、重量輕、流通能力大(用小型表可測大流量)、很容易實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送和可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)等特點(diǎn)。
渦輪流量計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油、有機(jī)液體、無機(jī)液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等流體對(duì)象的測量中。在國外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運(yùn)及集輸站,大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。在歐洲和美國,渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)的天然氣計(jì)量器具,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了多臺(tái)各種尺寸,壓力從到的氣體渦輪流量計(jì)。它們已成為優(yōu)良的天然氣流量計(jì)。
數(shù)學(xué)計(jì)算模型的建立：
通過對(duì)作用在渦輪上力矩的分析,可以定性地確定各種因素對(duì)渦輪流量計(jì)工作特性的影響,從而建立渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型。
作用在渦輪上的力矩有:流體通過渦輪時(shí)對(duì)葉片產(chǎn)生的推動(dòng)力矩;渦輪軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩;流體通過渦輪時(shí)對(duì)渦輪產(chǎn)生的流體阻力矩;電磁轉(zhuǎn)換器對(duì)渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩。由此根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律,可建立渦輪的運(yùn)動(dòng)微分方程:
式中——渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω——渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度。一般地,電磁阻力矩比較小,可以忽略其影響。在正常工作條件下,可認(rèn)為管道內(nèi)流體的流量是穩(wěn)定的,即渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度是穩(wěn)定的,這樣就有:
在這三個(gè)力矩中,機(jī)械摩擦阻力矩對(duì)給定的流量可近似看做常數(shù);流體阻力矩與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在理論模型中可不必給出和的具體關(guān)系表達(dá)式。那么需要理論分析的,就是推動(dòng)力矩。為此,要對(duì)渦輪葉片作受力分析。
圖渦輪進(jìn)出口速度分布圖
如圖,設(shè)定經(jīng)過導(dǎo)流葉的軸向來流速度為流體離開渦輪葉片時(shí)速度為,來流與圓周方向的夾角為α,流體離開渦輪時(shí)與圓周方向夾角為α,渦輪葉片與軸向夾角為θ。
很顯然,使渦輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的只有圓周方向的力。根據(jù)動(dòng)量定理,物體所受沖量等于動(dòng)量的變化量,考慮渦輪進(jìn)、出口的周向動(dòng)量變量,有:
式中——流體對(duì)渦輪周向的作用力可認(rèn)為作用在平均半徑上;ρ——流體的密度;——流體的流量;——時(shí)間內(nèi)流過的流體體積;在渦輪進(jìn)口,如圖中所示的圓周運(yùn)動(dòng)分量為,則有:
在渦輪出口,同樣如圖中所示葉輪在平均半徑處的旋轉(zhuǎn)線速度為流體對(duì)于出口渦輪葉片的相對(duì)速度為則：
如圖中所示α是的軸向分量α是圓周方向分量。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性原理,渦輪進(jìn)、出口軸向流量相等,則有:
Z——渦輪葉片數(shù)。將運(yùn)動(dòng)方程寫成儀表系數(shù)的形式為:
這就是經(jīng)過充分簡化后的渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型，它可以定性地描述渦輪流量計(jì)的基本特性。
渦輪流量計(jì)的特性分析：
理想特性曲線：
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)，與流體的流動(dòng)狀況無關(guān)。
圖4-3渦輪流量計(jì)理想特性曲線
始動(dòng)流量值：
對(duì)于實(shí)際工作的渦輪流量計(jì)，必須先克服軸承的靜摩擦力矩后才能開始轉(zhuǎn)動(dòng)。克服靜摩擦力矩所需的***小流量值被稱為始動(dòng)流量值q vm,。 渦輪始動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)角很小，可以忽略流體阻力矩Tf的影響，并且此時(shí)可認(rèn)為其輸出脈沖頻率也為零。那么從式(4-17) , (4-18)很容易得到:
分析上式，可以知道，機(jī)械摩擦阻力越小，流量計(jì)的始動(dòng)流量值就越小，在小流量區(qū)段量限越寬;流體密度越大，始動(dòng)流量值也就越小。
實(shí)際特性曲線：
隨著旋轉(zhuǎn)角速度的增加，在流量計(jì)的測量范圍內(nèi)，機(jī)械摩擦阻力矩可以忽略不計(jì)了，流體阻力矩Tf成為影響特性的主要因素。不同的流動(dòng)狀態(tài)，阻力產(chǎn)生的機(jī)理不同，所以應(yīng)分開分析。 在層流狀態(tài)時(shí)，流體阻力矩Tf可寫成:
式中，c,為常數(shù)，此時(shí):
由此式知，在層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，儀表系數(shù)與流量的變化和流體粘度的變化有關(guān)在紊流狀態(tài)時(shí)，流體阻力矩Tf可寫成:
式中，c2為常數(shù)，此時(shí):
分析上式，在紊流流動(dòng)狀態(tài)下，儀表系數(shù)只與流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，可以近似為一常數(shù)。儀表系數(shù)為常數(shù)這一區(qū)間，就是該流量計(jì)的流量測量范圍。 通過分析，可作出渦輪流量計(jì)的特性曲線，如下圖4-4所示。 通常將流量計(jì)在測量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的變化幅度稱為其測量準(zhǔn)確度。
圖4-4渦輪流量計(jì)特性曲線
渦輪流量計(jì)信號(hào)檢測的工作原理：
圖4-5渦輪示意圖
圖4-5所示為渦輪的原理示意圖。在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊渦輪葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可計(jì)算得到通過管道的流體流量。
圖4-6渦輪流量計(jì)總體框圖
渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測。當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí)，就會(huì)引起傳感線圈中磁通變化，傳感線圈將磁通的周期變化信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào)，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值;同時(shí)亦將脈沖信號(hào)送入頻率一電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析：
實(shí)驗(yàn)選用了一塊天津市新科儀表有限公司生產(chǎn)的LWQ-C-100型DN50氣體渦輪流量計(jì)，其標(biāo)稱流量范圍((3. 3^-100) m3/h。依照J(rèn)JG198一1994《速度式流量計(jì)》計(jì)量檢定規(guī)程，流量檢定點(diǎn)應(yīng)包括。m ax、0' 7 qmax、o.4 Cmax、.2.5Cmax、o. 1 5 Cmax、7Cmax和qmin(若前6個(gè)流量點(diǎn)中某流量點(diǎn)流量小于qmin時(shí)，此流量點(diǎn)可以不計(jì))。由于實(shí)驗(yàn)是研究性的而不是對(duì)流量計(jì)的檢定，并考慮到實(shí)驗(yàn)用臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際情況，將流量檢定點(diǎn)確定為:100 m3/h, 70m3/h, 40m3/h,25m3/h, 15m3/h, 7. 5m3/h, 2. 5m3/h，其中雖然流量點(diǎn)2. 5m3/h小于下限流量3. 3 m3/h可以不計(jì)，但是作為參考也將該流量點(diǎn)列入。
相同壓力下不同流量點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析：
為了保證音速噴嘴在喉部達(dá)到音速，并考慮到穩(wěn)壓閥的調(diào)壓范圍，實(shí)驗(yàn)選擇在壓力230kPa, 300kPa, 400kPa, 500kPa四種工作壓力下進(jìn)行。在測量范圍內(nèi)每個(gè)壓力點(diǎn)的壓力變化不超過1kPa。
釋義1：
輪機(jī)上常用的流量測量方法,大致可分為速度式和重量式兩類,速度式流量測量方法中 又以差壓式使用***廣泛。
3.3.1 速度式流量測量儀表
1)渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu),如圖1.2.1-66所示,它是由渦輪、導(dǎo)流器、磁鋼、感應(yīng)線圈等 組成,當(dāng)被測流體通過時(shí),沖擊渦流輪葉后,使渦輪旋轉(zhuǎn),在一定的流量范圍內(nèi),一定的流 體粘度下,渦輪轉(zhuǎn)速與流速成正比。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),渦輪上由導(dǎo)磁不銹鋼制成的螺旋形葉片 輪流接近處于管壁上的檢測線圈,周期性地改變檢測線圈磁電回路的磁阻,使通過線圈的磁 通量發(fā)生周期性變化,使檢測線圈產(chǎn)生與流量成正比的脈沖信號(hào),此信號(hào)經(jīng)前置放大器放大 后,可遠(yuǎn)距離傳送至顯示儀表。在顯示儀表中,對(duì)輸入脈沖進(jìn)行整形,然后一方面對(duì)脈沖信 號(hào)進(jìn)行積算以顯示總量,另一方面將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流輸出指示瞬時(shí)流量。
圖1.2.1-66 渦輪流量變送器
1-渦輪; 2-導(dǎo)液器; 3-軸承; 4-感應(yīng)線圈; 5-磁鐵; 6-殼體
2)電磁流量計(jì)
這種流量計(jì)是基于磁感應(yīng)原理,如圖1.2.1-67所示,是其結(jié)構(gòu)示意圖,在工作管道的兩 側(cè)有一對(duì)磁極,另有一對(duì)電極安裝在磁力線和管道垂直的平面上,當(dāng)導(dǎo)電流以平均速度V流 過直徑為D的測量管段時(shí)切割磁力線,于是在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E,則電勢(shì):
E=C1BD
(1.2.1-78)
式中: C1——常數(shù);
B——磁感應(yīng)強(qiáng)度。
因?yàn)榱鬟^儀表的容積流量
(1.2.1-79)
合并以上兩式,得
(1.2.1-80)
或
(1.2.1-81)
式中: K——電磁流量計(jì)的儀表常數(shù)
當(dāng)儀表口徑D和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí),K為定值。感應(yīng)電勢(shì)與流體容積流量存在線性關(guān) 系。
為了避免極化作用和接觸電位差的影響,工業(yè)用電磁流量計(jì)通常采用交變磁場。其缺點(diǎn) 是干擾較大。采用直流磁場對(duì)于真實(shí)地反映流量的急劇變化有利,故適用于實(shí)驗(yàn)室等特殊場 合或用來測量不致于引起極化現(xiàn)象的非電介性液體。
電磁流量計(jì)的感受件結(jié)構(gòu),如圖1.2.1-68所示。
3.3.2 差壓式流量測量儀表
差壓式測量方法是流量或流速測量方法中使用歷史***久和應(yīng)用***廣泛的一種。它們的共 同原理是根據(jù)伯努利方程測量流體流動(dòng)過程中產(chǎn)生的差壓來測量流量或流速。屬于這種測量方法的流量計(jì)有如下幾種
圖1.2.1-67 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
圖1.2.1-68 電磁流量計(jì)感受件結(jié)構(gòu)示意圖
1-導(dǎo)管和法蘭; 2-外殼; 3-馬鞍形激磁線圈 4-磁軛;5-電極;6-內(nèi)襯
圖1.2.1-69 具有橢圓頭部的標(biāo)準(zhǔn)畢托管
1)畢托管
畢托管是利用測量流體的全壓和靜壓之差——動(dòng)壓Δp來測量流速,如圖1.2.1-69所示, 為具有橢圓頭部的標(biāo)準(zhǔn)畢托管。
測量時(shí),必須將畢托管牢固固定,并且必須使畢托管探頭的軸線與管道中心線平行,這 可用畢托管上附有的對(duì)準(zhǔn)柄來對(duì)準(zhǔn)。
2)轉(zhuǎn)子流量計(jì)
轉(zhuǎn)子流量計(jì)由一段垂直安裝并向上漸擴(kuò)的圓錐形管和在錐形管內(nèi)隨被測介質(zhì)流量大小而 作上下浮動(dòng)的浮子組成。如圖1.2.1-70所示,當(dāng)被測介質(zhì)流過浮子與管壁之間的環(huán)形流通面 積時(shí),由于節(jié)流作用在浮子上下產(chǎn)生差壓Δp,此差壓作用在浮子上產(chǎn)生使浮子向上的力,當(dāng)此力與被測介質(zhì)對(duì)浮子的浮力之和等于浮子重力時(shí),浮子處于力平衡狀態(tài),浮子就穩(wěn)定于錐 形管的一定位置上。由于測量過程中浮子的重力和流體對(duì)浮子的浮力是不變,故在穩(wěn)定的情 況下,浮子受到的差壓始終也是恒定的。當(dāng)流量增大時(shí),差壓增加,使浮子上升,浮力與管 壁之間環(huán)形通流面積增大,使差壓減小,直至浮子上下的差壓恢復(fù)到原來的數(shù)值、這時(shí)浮子 平衡于較上部新的位置上,因此可用浮子在錐形管中的位置來指示流量。
圖1.2.1-70 轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖
1-錐形管; 2-轉(zhuǎn)子
圖1.2.1-71 重量法自動(dòng)測油耗示意圖
3.3.3 重量或測量油耗的儀表
用重量法測油耗的基本原理是利用測量消耗一定重量G的燃油所花時(shí)間t,然后再用下式 算出耗油率gt
gt＝G×3600/Ne·t g/kW·h
(1.2.1-82)
式中: G——消耗燃油重量,g;
t——經(jīng)歷時(shí)間間隔,s;
Ne——功率,kW。
目前,輪機(jī)中常用的轉(zhuǎn)速油耗自動(dòng)測量儀,其基本原理如圖1.2.1-71所示,其測量裝置 示意圖。
天平架在主刀口上,右邊托盤上放著砝碼,左盤放量油杯,天平右臂上裝有擋光片,其 兩側(cè)分別裝有光源和光電傳感器,擋光片用來控制兩個(gè)光電傳感器,由傳感器再發(fā)出各種動(dòng) 作指令。
油杯無油時(shí),天平傾向右側(cè),如圖1.2.1-71b)所示,擋光片使兩個(gè)光電傳感器發(fā)出指令, 使電磁閥門控制器打開,以便向油杯加油。隨著油杯油量逐漸增多,天平漸趨平衡位置,天 平的右邊盤與砝碼相接觸,并使天平暫時(shí)停留在這一位置,但加油仍在繼續(xù),直至左端重量 大于右端重量 (包括砝碼) 時(shí),法碼重量方全部由輔助刀口轉(zhuǎn)至左托盤上,天平隨之傾向左 邊,如圖1.2.1-71c) 所示,光電傳感器受到光照并發(fā)出指令,使電磁閥關(guān)閉,加油停止。 測量時(shí),由于發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸消耗油杯中油量,天平則趨向于平衡位置,當(dāng)剛到平衡位置時(shí),砝 碼和輔助刀口剛好相接觸,但重量仍全部由天平承擔(dān),由于此時(shí)擋光片擋住了光電傳感器 (計(jì)),則發(fā)出指令,使計(jì)數(shù)控制機(jī)構(gòu)開始計(jì)數(shù)。直至燃油耗量等于砝碼重量時(shí),砝碼重量則 轉(zhuǎn)移到輔助刀口上,繼而使天平平衡破壞而倒向右測,如圖1.2.1-71a)所示,同時(shí)擋光片 擋住光電傳感器 (停),并發(fā)出指令,使計(jì)數(shù)控制器停止計(jì)數(shù),使電磁閥打開并向油杯充油。
我國生產(chǎn)的SYZZ轉(zhuǎn)速油耗自動(dòng)測量儀,是由轉(zhuǎn)速傳感器,自動(dòng)燃油天平,控制顯示器 三部分組成。
1)轉(zhuǎn)速傳感器
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速傳感器通過裝在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的60牙齒輪不斷地切割傳感器所產(chǎn)生 的磁力線。因而在傳感器線圈兩端不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào),這些脈沖信號(hào)通過控制顯示器用八 段螢光數(shù)碼顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或消耗一定重量燃油時(shí)的總轉(zhuǎn)數(shù)。
圖1.2.1-72 轉(zhuǎn)速油耗自動(dòng)測量儀
2)自動(dòng)燃油天平
天平有6個(gè)稱量砝碼,測量范圍為100g到2kg。
3)控制顯示器
該控制顯示器系采用集成電路組裝而成,該儀器具有抗干擾性、靈敏度高、精度較高等 特點(diǎn)。
測量過程中,控制顯示器能使整個(gè)測量過程按正常程序連續(xù)地重復(fù)工作,并不斷地顯示 發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的工況下的轉(zhuǎn)速; 消耗一定重量燃油所用時(shí)間及在這段時(shí)間里發(fā)動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)速 等數(shù)據(jù),并不斷地定時(shí)油杯供油,如圖1.2.1-72所示。
釋義2：
一、渦輪流量計(jì)概述
渦輪流量計(jì)是葉輪式流量計(jì)的一種,具有重復(fù)性好、度高、結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、 重量輕、維修方便、流通能力大和可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)等優(yōu)點(diǎn)。因此,廣泛應(yīng)用于 石油天然氣行業(yè)。
(一)工作原理
當(dāng)被測流體流過傳感器時(shí),在流體作用下,葉輪受力旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正 比,葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生 周期性的感應(yīng)電勢(shì),即電脈沖信號(hào),經(jīng)放大器放大后,送至顯示儀表顯示。
渦輪流量計(jì)的實(shí)用流量方程為:
qv＝f/K qm＝qtρ
式中
q——體積流量,m3/s qm——質(zhì)量流量,kg/s;
f——流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率,Hz;
K——流量計(jì)的儀表系數(shù),P/m3。
(二)主要特點(diǎn)
渦輪流量計(jì)具有以下特點(diǎn):
1)高度,對(duì)于液體一般為±0.25%R～±0.5%R,高精度型可達(dá)±0.15%R;對(duì)于氣體 一般為±1%R～±1.5%R,特殊專用型為±0.5%R～±1%R。
2)重復(fù)性好,短期重復(fù)性可達(dá)0.05%-0.2%。
3)輸出脈沖頻率信號(hào),適于總量計(jì)量及與計(jì)算機(jī)連接,無零點(diǎn)漂移,抗干擾能力強(qiáng)。
4)可獲得很高的頻率信號(hào)(3～4kHz),信號(hào)分辨力強(qiáng)。
5)范圍度寬,中大口徑可達(dá)40:1～10:1,小口徑為6:1或5:1。
6)結(jié)構(gòu)緊湊輕巧,安裝維護(hù)方便,流通能力大。
7)適用高壓測量,儀表表體上不必開孔,易制成高壓型儀表。
8)專用型傳感器類型多,可根據(jù)用戶特殊需要設(shè)計(jì)為各類專用型傳感器。
9)可制成插入型,適用于大口徑測量,壓力損失小,價(jià)格低,可不斷流取出,安裝維護(hù)方 便。
10)難以長期保持校準(zhǔn)特性,需要定期校驗(yàn)。對(duì)于無潤滑性的液體,液體中含有懸浮物或 磨蝕性,易造成軸承磨損及卡住等問題。
11)流體物性(密度、粘度)對(duì)儀表特性有較大影響。氣體流量計(jì)易受密度影響,而液體流 量計(jì)對(duì)粘度變化反應(yīng)敏感。
12)流量計(jì)受來流流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大,傳感器上下游側(cè)需設(shè)置較長的直 管段,如安裝空間有限制,可加裝流動(dòng)調(diào)整器(整流器)以縮短直管段長度。
13)不適于脈動(dòng)流和混相流的測量。
14)對(duì)被測介質(zhì)的清潔度要求較高,壓損大、維護(hù)量大。
15)小口徑(DN50以下)儀表的流量特性受物性影響嚴(yán)重。
二、RMG TRZ03渦輪流量計(jì)
(一)結(jié)構(gòu)與原理
TRZ03渦輪流量計(jì)本體包含了帶有渦輪軸的測量系統(tǒng),測量元件的上游安裝了整流器, 能充分消除氣流的擾動(dòng)和旋渦,使氣體平穩(wěn)地通過測量元件。承壓側(cè)的渦輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 通過渦輪渦桿及磁耦合機(jī)構(gòu)傳送到非承壓側(cè)的表頭,渦輪轉(zhuǎn)速經(jīng)過表頭的齒輪機(jī)構(gòu)被減速, 減速比可通過選擇適當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)齒輪進(jìn)行調(diào)整,機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示出工況下的體積流量,同時(shí) 輸出相應(yīng)的低頻脈沖信號(hào)。在渦輪流量計(jì)的葉輪和輔助葉輪上輸出感應(yīng)式高頻信號(hào)。輔助葉 輪是一個(gè)凸輪,它與渦輪安裝在同一個(gè)軸上,能與渦輪同步工作。(結(jié)構(gòu)圖見下頁)。
RMG TRZ03渦輪流量計(jì)符合DIN33800標(biāo)準(zhǔn),是適用于氣體流量計(jì)量。流量計(jì)機(jī)械表頭顯 示工況壓力和溫度條件下的累計(jì)體積流量。
氣體通過進(jìn)口端的整流器后,作用在軸向安裝的葉輪上。葉輪的轉(zhuǎn)速和氣體的流速成正 比,通過渦輪渦桿及磁耦合機(jī)構(gòu)將葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳送到表頭計(jì)數(shù)器。
(二)使用與維護(hù)
1.操作對(duì)測量的影響
當(dāng)氣流流速急速降低或是突然停止流動(dòng)時(shí),由于慣性作用,在一定時(shí)間內(nèi),渦輪還會(huì)保持 轉(zhuǎn)動(dòng),這樣會(huì)使計(jì)量的氣量比實(shí)際氣量要多。當(dāng)氣流流速急劇增加或是啟動(dòng)過快,渦輪會(huì)因氣 流的沖擊力造成損壞,影響正常工作。因此應(yīng)盡量避免氣體流速的急速變化。
另外,由于上游或下游活塞式壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、沒有氣流的管路等因素的影響,會(huì)引起的 氣流的震動(dòng)和脈沖,這些振動(dòng)和脈沖會(huì)引起渦輪流量計(jì)的軸因負(fù)載過重而導(dǎo)致過早地磨損。 因此,避免震動(dòng)和氣流的脈沖也是必要的。一般來說,當(dāng)干擾頻率超出100Hz時(shí),對(duì)渦輪流量計(jì) 的測量度不太可能產(chǎn)生影響,但實(shí)際上,干擾信號(hào)的頻率很難達(dá)到這個(gè)值。當(dāng)干擾頻率低 于0.1Hz時(shí),就會(huì)出現(xiàn)“準(zhǔn)穩(wěn)定流”,也不會(huì)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生任何影響。因此,干擾頻率對(duì)氣流的 影響范圍是0.1～100Hz,只有在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),氣流才會(huì)產(chǎn)生共振,出現(xiàn)一個(gè)較高的相對(duì)振幅, 從而影響渦輪流量計(jì)的計(jì)量精度。
2.潤滑
除了需要定期潤滑以外,渦輪流量計(jì)幾乎是免維護(hù)的。為了保證渦輪流量計(jì)的潤滑, TRZ03渦輪流量計(jì)上安裝了一個(gè)油壓按鈕泵,如果沒有安裝油壓按鈕泵的,可用油槍或是杠 桿泵對(duì)其進(jìn)行潤滑。潤滑周期是在正常使用條件下,每三個(gè)月潤滑一次,方法是:按鈕壓力泵 按壓6次;油槍和杠桿泵按壓2次。在下面幾種情況下:由于水或烴而導(dǎo)致水化物的產(chǎn)生、氣體 里面灰塵等雜質(zhì)過多或是工作溫度超過50℃,潤滑的周期應(yīng)該縮短,甚至在極限條件下一天 一次。
三、RMG EC694體積修正儀
(一)結(jié)構(gòu)與原理
氣體渦輪流量計(jì)測到的氣體體積流量是實(shí)際工作狀況下的體積流量(也叫工況流量)。由 于氣體可以被壓縮,則標(biāo)準(zhǔn)體積流量應(yīng)該是根據(jù)工況體積流量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算(校正)得到的。 此時(shí),要使用氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(即壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為20℃)和氣體質(zhì)量的相關(guān)參 數(shù)。EC694體積修正儀與渦輪流量計(jì)TRZ03連接后,從 TRZ03中采集流量脈沖信號(hào)、壓力信號(hào)、溫度信號(hào),在 內(nèi)部基于理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 并顯示計(jì)算出來的標(biāo)準(zhǔn)流量數(shù)據(jù),還留有必要的接口 以便與計(jì)算機(jī)等設(shè)備通訊,完成數(shù)據(jù)上傳等功能。
(二)顯示與操作
1.操作面板
EC694體積修正儀可以直接在設(shè)備面板上方便地 進(jìn)行各種菜單的操作,一些重要的數(shù)據(jù)可以利用功能 鍵直接進(jìn)行選擇查看。EC694體積修正儀的菜單采用 坐標(biāo)系統(tǒng),坐標(biāo)系統(tǒng)共有15列31行,操作員可利用方向 鍵在菜單系統(tǒng)中查看每一個(gè)參數(shù)。顯示屏采用一個(gè)能顯 示兩行、每行16個(gè)字符的LCD顯示器,能夠同時(shí)顯示參 數(shù)的名稱、數(shù)值和單位等信息。其面板如右圖所示。
2.功能鍵:
按這個(gè)鍵可顯示壓力值,再按上下方向鍵可顯示所有與壓力有關(guān)的值;按向左方 向鍵顯示錯(cuò)誤信息,可利用上下方向鍵滾動(dòng)查看。
按這個(gè)鍵可顯示溫度值,再按上下方向鍵可顯示所有與溫度有關(guān)的值。
按這個(gè)鍵可顯示壓縮系數(shù)值和K值,并且可以利用上下方向鍵來查看所有與氣 體分析有關(guān)的值。
·按這個(gè)鍵可顯示累計(jì)值,并且可以利用上下方向鍵來查看所有與累計(jì)量有關(guān) 的參數(shù)。
·按右方向鍵顯示流速,且可以利用上下方向鍵來查看所有與流速有關(guān)的參數(shù)。
·按右方向鍵顯示測試值,且可以利用上下方向鍵來查看所有與測試?yán)塾?jì)值有 關(guān)的參數(shù)。
·按右方向鍵顯示ID數(shù)據(jù),并且可以利用上下方向鍵滾動(dòng)查看。
·按右方向鍵顯示操作模式,并且可以利用上下方向鍵滾動(dòng)查看。
·按右方向鍵顯示錯(cuò)誤信息,并且可以利用上下方向鍵滾動(dòng)查看。
3.特殊功能鍵:
上下方向鍵:
用于一列中行的切換,在一列中的行按向上方向鍵時(shí),可跳到該列的***后一 行;在輸入狀態(tài)下,上下方向鍵可增減數(shù)值或滾動(dòng)字母。
左右方向鍵:
用于一行中列的切換,在一行中的列按向左方向鍵時(shí),可跳到該行的***后一 列;在***后一列按向右方向鍵時(shí),可跳到列;在輸入狀態(tài)下,用左右方向鍵來選擇 一個(gè)數(shù)據(jù)中的某一位。
撤銷鍵:
·按該鍵直接顯示ID數(shù)據(jù)
·按向右方向鍵一次顯示操作模式
·按向右方向鍵兩次顯示故障信息
·在輸入模式下,按此鍵可以清楚輸入某一區(qū)域的變化。
確認(rèn)鍵:
·在標(biāo)定開關(guān)使能或是用戶密碼正確輸入的情況下,按此鍵可初始化某一數(shù)據(jù)輸入。
·完成一個(gè)數(shù)據(jù)的輸入或是操作模式切換的確定。
·如果不是在輸入模式下,按該鍵兩次可從簡稱切換到坐標(biāo)。
開始鍵:
按此鍵可初始化各種功能,例如復(fù)位故障、啟動(dòng)校驗(yàn)等。
三、EC694的坐標(biāo)系統(tǒng)
EC694的坐標(biāo)系統(tǒng)直觀地表明了每個(gè)參數(shù)所在的位置,通過坐標(biāo)系統(tǒng)的列表,可利用操 作面板上的按鍵方便地找到組態(tài)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)等相應(yīng)的參數(shù),并進(jìn)行有關(guān)操作。 坐標(biāo)系統(tǒng)共有15列31行。用A～O 15個(gè)英文字母來標(biāo)記列;除***上面一行(標(biāo)題行)沒有編號(hào) 外,其他行用0～30編號(hào)。下面的兩個(gè)表格列出了EC694坐標(biāo)系統(tǒng),在這兩個(gè)表格中可以找到 EC694所有的參數(shù)。
A～J坐標(biāo)系統(tǒng)
DisDlay field
Input field locked via code number
Input field lolcked via calibration switch
K～O坐標(biāo)系統(tǒng)
DisDlay field
Input field locked via code number
Input field lolcked via calibration switch
釋義3：
[應(yīng)用釋義] 儀表流量計(jì):儀表流量計(jì)是對(duì)管道內(nèi)液體或氣體的流量進(jìn)行測量和控制,也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。流量的測量方法較多,按原理分,有節(jié)流式,速度式、容積式、電磁式等,它們各有一定的適用場合。
1.節(jié)流式流量計(jì):在管道中放入一定的節(jié)流元件,如孔板、噴嘴、靶、轉(zhuǎn)子等,使流體流過這些阻擋體時(shí),流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)流體對(duì)節(jié)流元件的推力或在節(jié)流元件前后形成的壓差等,可以測定流量的大小。
(1)差壓流量計(jì):根據(jù)節(jié)流元件前后的壓差測量流量計(jì)稱為差壓流量計(jì),主要由節(jié)流裝置及差壓計(jì)兩部分組成。盡管差壓流量計(jì)精度較差,但它結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,目前還是使用***普遍的一種流量計(jì)。
(2)靶式流量計(jì):靶式流量計(jì)與差壓流量計(jì)不同的是,它使用懸在管道中央的靶作為節(jié)流元件,且輸出信號(hào)不是取節(jié)流元件前后的差壓,而是取流體作用于靶上的推力。靶式流量計(jì)與差壓流量計(jì)這兩種流量計(jì)的流量與檢測信號(hào)之間的關(guān)系都是非線性的,必須將差壓或推力信號(hào)進(jìn)行開方運(yùn)算后,才能得到流量信號(hào)。由于這種關(guān)系的非線性,大大限制了這些流量計(jì)的有效測量范圍,一般可測的***大流量與***小流量之比約為3∶1。因?yàn)榱髁啃〉綕M量程的三分之一時(shí),差壓或推力已只有滿量程的十分之一左右,信號(hào)再小時(shí),精度就難滿足了。
(3)轉(zhuǎn)子流量計(jì):在小流量的測量中,轉(zhuǎn)子流量計(jì)是使用***廣的一種流量計(jì)。
2.容積式流量計(jì):容積式流量計(jì)的代表性產(chǎn)品是橢圓齒輪流量計(jì)。由于橢圓齒輪流量計(jì)是直接按照固定的容積來計(jì)量流體的,所以只要加工,配合緊密,防止腐蝕和磨損,便可得到極高的精度,一般可達(dá)0.2%,較差的亦可保證0.5%～1%的精度,故常作為標(biāo)準(zhǔn)表及精密測量之用。
3.渦輪流量計(jì):由于差壓式流量計(jì)精度太低,而容積式又價(jià)格太貴,在50年代出現(xiàn)了渦輪流量計(jì),其精度介于兩者之間,約為0.25%～1.0%。
渦輪流量計(jì)一般用來測量液體的流量。雖然也可測量氣體流量,由于氣體密度低,推動(dòng)力矩小,且高速旋轉(zhuǎn)的渦輪軸承在氣體中得不到潤滑而容易損壞,故很少用于氣體。為了保證流體沿軸向推動(dòng)渦輪,渦輪前后都裝有導(dǎo)流器,把進(jìn)出的流體方向?qū)е?以免流體的自旋改變與葉片的作用角,影響測量精度。盡管這樣,在安裝時(shí)仍要注意,在流量計(jì)前后必須有一定的直管段。一般規(guī)定,入口直段的長度應(yīng)為管道直徑的10倍以上,出口直段長度為管道直徑的5倍以上。
渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是刻度線性,反應(yīng)迅速,可測脈沖流量。但這種流量計(jì)的讀數(shù)也受流體粘度和密度的影響,也只能在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)保證測量精度。由于渦輪流量計(jì)內(nèi)部有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,易被流體中的顆粒及污物堵住,只能用于清潔流體的流量測量。
4.電磁流量計(jì):以上幾種流量測量方法都要在管道中設(shè)置一定的檢測元件,總要造成一定的壓力損失,而且容易堵塞或卡住。電磁流量計(jì)采用了完全不同的原理,以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ),在管道兩側(cè)安放磁鐵,以流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)線,由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測知管道內(nèi)液體的流速和流量。
電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是管道中不設(shè)任何節(jié)流元件,因此可測各種粘度的液體,特別宜于測量含各種纖維和固體污物的物體。此外,對(duì)腐蝕性液體也很適用,因?yàn)闇y量管中除了一對(duì)由不銹鋼或金、鉑等耐腐蝕性材料制成的電極與流體直接接觸外,沒有其他零件和流體接觸,工作非?？煽?。電磁流量的測量精度約為1%,刻度線性,測量范圍寬,反應(yīng)速度快,且可測水平或垂直管道來回兩個(gè)方向的流量。從電磁流量計(jì)的工作原理看出,它只能測導(dǎo)電液體的流量,被測液體的導(dǎo)電率至少為50～100μΩ/cm(自來水的電導(dǎo)率約為100μΩ/cm),故不能測量油類及氣體的流量。此外,被測液體中不能含大量氣泡,由于氣泡是不導(dǎo)電的,它的存在使輸出變得比較困難。
釋義4：
一般來說,選用渦輪流量計(jì)的主要目的是其高準(zhǔn)確度,故在貿(mào)易儲(chǔ)運(yùn)計(jì)量、物料平衡和成本核算計(jì)量等方面應(yīng)用較多。
目前流量計(jì)準(zhǔn)確度大致情況為:
液體流量計(jì): 國際上為±0.15%R,±0.2%R,±0.5%R和±1%R;國內(nèi)為±0.5%R和±1%R。
氣體流量計(jì): 國際上為±0.5%R,±1%R;國內(nèi)市場為±1%R,±1.5%R。
以上準(zhǔn)確度皆指范圍度為10∶1時(shí)。
保持渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度可采取的措施有:
① 對(duì)高準(zhǔn)確度使用,必須經(jīng)常校驗(yàn)。對(duì)于管線傳輸計(jì)量,***好配備在線校驗(yàn)設(shè)備,如標(biāo)準(zhǔn)體積管流量校準(zhǔn)裝置。
② 縮小范圍度,可提高準(zhǔn)確度。特別,作為校驗(yàn)裝置標(biāo)準(zhǔn)用表,定點(diǎn)使用可大大提高準(zhǔn)確度。
③ 應(yīng)用智能儀表(或叫流量計(jì)算機(jī))進(jìn)行各種影響量的補(bǔ)償,如壓力溫度補(bǔ)償、粘度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償(雷諾數(shù)補(bǔ)償)等,提高測量準(zhǔn)確度。
④ 選擇流量計(jì)使葉輪工作于較低轉(zhuǎn)速的流量范圍,以延長流量計(jì)的使用期限。連續(xù)式工作,選擇的儀表流量上限為實(shí)際***大流量的1.4倍,間歇式工作,為1.3倍。
⑤ 渦輪流量計(jì)是對(duì)流體粘度變化比較敏感的儀表,粘度增大將使儀表系數(shù)線性區(qū)域變窄,下限流量增大。液體用渦輪流量計(jì)一般用水校準(zhǔn)。使用于運(yùn)動(dòng)粘度為5×10-6mm2/s 以下液體時(shí),可不考慮粘度的影響,否則需采取措施補(bǔ)償粘度的影響,如縮小使用范圍度,提高流量下限值,儀表系數(shù)乘以雷諾數(shù)修正系數(shù)等。
⑥ 石油工業(yè)中,渦輪流量計(jì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,維修簡便,安全性好,可以容忍夾帶一些固體物而不致堵塞管道等特點(diǎn)得到推廣使用。
選用渦輪流量計(jì)的流體有潔凈(或基本潔凈)、單相、粘度不高的流體。如化學(xué)類溶液: 氨水、甲醇、鹽水等;石油化工類: 石腦油、乙烯、聚乙烯、苯乙烯、液化石油氣、天然氣;液態(tài)氣體: 液氧、液氮等;一般流體: 水、空氣、氧氣、高壓氫氣、牛奶、咖啡等。
不選用渦輪流量計(jì)的對(duì)象為含雜質(zhì)多的流體,如循環(huán)冷卻水、河水、污水、燃油等;管道壓力不高,流量較大(流速高),有可能產(chǎn)生氣穴的場合;附近存在嚴(yán)重的電磁場干擾的場所,如附近有電焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)、帶觸點(diǎn)繼電器等,這些設(shè)備的存在會(huì)對(duì)流量計(jì)輸出電信號(hào)產(chǎn)生干擾;上下游直管段很短的場合等。