氣體羅茨流量計(jì)部分參數(shù)的計(jì)量特征更好的選型
摘 要: 研究氣體羅茨流量計(jì)不同參數(shù)的計(jì)量特征，充分了解其計(jì)量性能，更好的選型和應(yīng)用。選擇一臺(tái)合格且運(yùn)行穩(wěn)定的氣體羅茨流量計(jì)，選取了 26 個(gè)流量點(diǎn)的 78 組測量數(shù)據(jù)研究儀表系數(shù)、壓力及壓力損失等參數(shù)特征曲線的變化規(guī)律。結(jié)果顯示隨著流量點(diǎn)的增大，儀表系數(shù)先線性增長后基本穩(wěn)定，壓力值不斷下降，壓力損失則不斷增長; 與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)管段上流量計(jì)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(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析研究取壓位置對(duì)不同流量點(diǎn)的儀表系數(shù)的影響。結(jié)果證明，氣體羅茨流量計(jì)的計(jì)量特性曲線呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，在選型和應(yīng)用中應(yīng)充分考慮這些特征。
0、引言：
氣體羅茨流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的測量流量的儀［1］ 。氣體羅茨流表，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研等領(lǐng)域 量計(jì)屬于容積式流量儀表，其特征是利用計(jì)量腔內(nèi)部腰輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的目的 。該儀表主要由殼體、腰輪、機(jī)械傳動(dòng)和數(shù)據(jù)顯示( 信號(hào)遠(yuǎn)傳) 等［3］ 。當(dāng)被測流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，腰輪受流部分組成 體推動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)下邊腰輪反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，腰輪旋轉(zhuǎn) 360° 時(shí)，有 4 倍于計(jì)量室有效容積的流體排出流量計(jì)。這樣，兩個(gè)腰輪交換驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，隨著腰輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，流體經(jīng)由計(jì)量室不斷排出。腰輪每轉(zhuǎn)一圈排出的流體體積是一個(gè)固定值，即排出量與腰輪軸轉(zhuǎn)速成正比，通過腰輪軸及其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳遞到積算顯示部分。
只要計(jì)量室內(nèi)部配合間隙設(shè)計(jì)、組裝合理，它就會(huì)有較高的精度和較低的流量 。氣體羅茨流量計(jì)由于前后不需要直管段，在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件的流速場畸變的情況下對(duì)計(jì)量的，準(zhǔn)確度影響很小 可以安裝在環(huán)境狹窄的場合。氣體羅茨流量計(jì)不涉及流態(tài)方程，與氣體流態(tài)( 如流線分布、阻力損失、雷諾數(shù)等) 關(guān)系很小，始動(dòng)流量小，量程比寬，適用于計(jì)量負(fù)荷變動(dòng)大的氣體流量 。
一般氣體羅茨流量計(jì)依據(jù) JJG 633 － 2005 氣體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程，誤差按其流量計(jì)示值誤差進(jìn)行計(jì)算，但在實(shí)際工作中，經(jīng)常碰到一些氣體羅茨流量計(jì)輸出是脈沖數(shù)。根據(jù)其計(jì)量原理，流量計(jì)的傳感器應(yīng)有一個(gè)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定給出的儀表系數(shù)，其精度和流量范圍必須滿足流量計(jì)技術(shù)規(guī)范的要求，氣體羅茨流量計(jì)的儀表系數(shù)是衡量流量計(jì)準(zhǔn)確［7］ 。與此同時(shí)，氣體羅度和線性度的一個(gè)重要指標(biāo)
茨流量計(jì)的計(jì)量特性還涉及到流量計(jì)壓力、壓力損［8］，失和取壓位置等方面 這些特性也是衡量流量計(jì)重復(fù)性、測量范圍和應(yīng)用條件等性能的重要內(nèi)［9］ 。
研究這些計(jì)量特性，能夠有利于充分了解氣容體羅茨流量計(jì)的計(jì)量性能，對(duì)更好的選型和應(yīng)用提供有效的參考價(jià)值。
研究這些計(jì)量特性，能夠有利于充分了解氣容體羅茨流量計(jì)的計(jì)量性能，對(duì)更好的選型和應(yīng)用提供有效的參考價(jià)值。
1、實(shí)驗(yàn)方案：
基于上述目的，實(shí)驗(yàn)選擇了一臺(tái)運(yùn)行良好的氣體羅茨流量計(jì): 口徑 80mm、標(biāo)稱流量范圍 5 ～ 150m3 /h、準(zhǔn)確度等級(jí) 1. 5 級(jí)，在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［10－11］ 。氣體流量標(biāo)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用表前取壓 準(zhǔn)裝置為臨界流文丘里噴嘴法裝置，流量范圍 0 ～ 15000m3 /h，擴(kuò)展不確定度 U = 0. 25% ( k = 2) ，是在用的新疆地區(qū)內(nèi)***高氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)設(shè)計(jì)為從 0 ～ 1. 4qmax 之間選擇 20 個(gè)點(diǎn)，基本均勻分布在整個(gè)范圍內(nèi)，***小流量為 3m3 / h，***大流量 210m3 /h; 每個(gè)流量點(diǎn)測量 3 次，取其算術(shù)平均值作為測量結(jié)果; 每次測量時(shí)間為 30s; 采用脈沖輸出測量方式?？紤]到對(duì)關(guān)鍵流量點(diǎn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，把 qmin 、qt 、0. 25qmax 、0. 5qmax 、0. 75qmax 、qmax 等流量點(diǎn)間隔一段時(shí)間重復(fù)進(jìn)行多次測量，因此共測量流量點(diǎn) 26 個(gè)。
2、數(shù)據(jù)分析：
2.1、儀表系數(shù)特性曲線分析：
實(shí)驗(yàn)得到儀表系數(shù)特征曲線如圖 1 所示。圖中，隨著流量的增大，儀表系數(shù)從始動(dòng)流量 3m3 /h處開始迅速增大，在流量點(diǎn) 10m3 /h 時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)，以后隨著流量點(diǎn)的增大儀表系數(shù)誤差都在精度范圍內(nèi)。由于考慮到流量計(jì)的測量能力，***大流量點(diǎn)設(shè)為 210m3 /h，即 1. 4qmax ，對(duì)于更大流量點(diǎn)的儀表系數(shù)變化情況本次試驗(yàn)沒有做更多考慮。在小流量時(shí)，誤差急劇地向負(fù)方向傾斜，隨著流量的增加，誤差逐漸向正方向移動(dòng)，當(dāng)流量很大時(shí)，誤差又有向負(fù)方向傾斜的趨勢(shì)，但在 qmax ～ 1. 4qmax 流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)變化仍然具有很好的穩(wěn)定性。
圖 1 流量計(jì)儀表系數(shù)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(jì)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(jì)測量元件動(dòng)作的機(jī)械阻力產(chǎn)生的壓力損失; 二是由流體粘度造成的流動(dòng)阻力引起的壓力損失 。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的氣體羅茨流量計(jì)，在流量較大時(shí)，腰輪旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械阻力是產(chǎn)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***大流量 150m3 /h 為拐點(diǎn)，儀表系數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，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(jì)壓力損失增加，其漏失流量也增加，因此，儀表系數(shù)誤差開始向負(fù)方向傾斜 。
在現(xiàn)場使用的過程中，一方面由于環(huán)境變化，流量計(jì)的脈沖數(shù)、實(shí)際安裝管道的溫度、實(shí)際管道壓力對(duì)儀表系數(shù)會(huì)產(chǎn)生很大的影響; 另一方面，由于儀表使用的時(shí)間加長，流量介質(zhì)中雜質(zhì)多，對(duì)儀表主體磨損比較嚴(yán)重，也會(huì)對(duì)流量計(jì)的系數(shù)產(chǎn)生影響，所以，儀表系數(shù)不是固定不變的，每次檢定之后，根據(jù)儀表的檢定結(jié)果，須對(duì)系數(shù)進(jìn)行重新修訂，使儀表本身達(dá)到檢定標(biāo)準(zhǔn)，減少實(shí)際誤差 。
3、結(jié)果與討論：
氣體羅茨流量計(jì)的儀表系數(shù)與壓力損失是衡量其計(jì)量性能的重要指標(biāo)之一。本文基于上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得出，在小流量時(shí)，誤差急劇地向負(fù)方向傾斜，隨著流量的增加，誤差逐漸向正方向移動(dòng); 當(dāng)流量很大時(shí)，誤差又有向負(fù)方向傾斜的趨勢(shì)，但在 qmax ～ 1. 4qmax 流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)變化仍然具有很好的穩(wěn)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***大流量 150m3 /h 為拐點(diǎn)，儀表系數(shù)持續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而壓力損失也以更快的速度開始增加。
在對(duì)氣體羅茨流量計(jì)選型過程中，應(yīng)充分考慮以下兩個(gè)方面因素:
1) 流量范圍: 氣體羅茨流量計(jì)的流量范圍與被測介質(zhì)的種類、使用頻率、測量準(zhǔn)確度等因素有關(guān)，用于間歇測量時(shí)，其流量范圍較大; 對(duì)于測量準(zhǔn)確度，用于低準(zhǔn)確度測量時(shí)，流量范圍較大，高準(zhǔn)確度測量時(shí)，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(shí)***大流量***好應(yīng)選在儀表***大流量的( 70 ～ 80) %。
2) 耐壓性能和壓力損失: 氣體羅茨流量計(jì)的工作壓力主要由流量計(jì)殼體來承受，對(duì)工作壓力的不同要求，應(yīng)選用不同材質(zhì)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(jì)時(shí)必須考慮的重要問題，尤其是大流量使用時(shí)，更應(yīng)注意核算流量計(jì)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(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度:
| 1) 由于流量計(jì)轉(zhuǎn)子與殼體之間間隙較小，大于 | 選擇 0. 25qmax 、0. 50qmax 和 0. 75qmax 3 個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè) | |||||||
| 間隙的顆粒雜質(zhì)不能通過，為防止卡堵，應(yīng)選擇適當(dāng) | 流量點(diǎn)測量 3 次，每次測量不少于 30s，取算術(shù)平均 | |||||||
| 的過濾器，并特別注意在投產(chǎn)使用前氣體需走旁路， | 值作為測量結(jié)果。 | |||||||
| 以防施工中的焊渣、雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)。 | 如表 1 所示，在所有流量點(diǎn)、所有取壓位置處的 | |||||||
| 2) 對(duì)流量計(jì)要加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，定期進(jìn)行潤滑。 | 壓力和儀表系數(shù)誤差均處于合格范圍內(nèi)，***大值為 | |||||||
| 3) 流量計(jì)在應(yīng)用中必須定期進(jìn)行校驗(yàn)，以確保 | －0. 14%。順著實(shí)驗(yàn)管段方向，不同取壓位置處壓力 | |||||||
| ［13］ | 。 | 值和儀表系數(shù)在表前、表體和表后 3 個(gè)取壓位置逐 | ||||||
| 其準(zhǔn)確度 | ||||||||
| 4 取壓位置影響研究 | 漸減小，但在表后 4 個(gè)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(shù)誤 | ||||||||
| 在直管段上呈線性開孔，取壓孔位置依次為表 | 差也逐漸增大。整體來說，表前取壓方式的壓力和 | |||||||
| 前 10D、表體、表后 1D、表后 3D、表后 5D、表后 10D。 | 儀表系數(shù)誤差小于表后取壓。 | |||||||
| 表 1 | 氣體羅茨流量計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) | |||||||
| 流量點(diǎn) | 取壓位置 | 測得壓力值 | 儀表系數(shù) | 壓力誤差 | 儀表系數(shù)誤差 | |||
| ( m3 /h) | ( kPa) | ( 1 /m3 ) | ( %) | ( %) | ||||
| B10D | 93. 68 | 1929. 05 | 0. 06 | 0. 08 | ||||
| 0 | 93. 62 | 1927. 55 | 0. 00 | 0. 00 | ||||
| A1D | 93. 58 | 1927. 31 | －0. 04 | －0. 01 | ||||
| 25 | ||||||||
| A3D | 93. 58 | 1927. 19 | －0. 04 | －0. 02 | ||||
| A5D | 93. 58 | 1927. 29 | －0. 04 | －0. 01 | ||||
| A10D | 93. 57 | 1927. 25 | －0. 05 | －0. 02 | ||||
| B10D | 93. 65 | 1933. 76 | 0. 04 | 0. 10 | ||||
| 0 | 93. 61 | 1931. 77 | 0. 00 | 0. 00 | ||||
| A1D | 93. 56 | 1931. 61 | －0. 05 | －0. 01 | ||||
| 50 | ||||||||
| A3D | 93. 56 | 1931. 40 | －0. 05 | －0. 02 | ||||
| A5D | 93. 56 | 1931. 19 | －0. 05 | －0. 03 | ||||
| A10D | 93. 55 | 1931. 19 | －0. 06 | －0. 03 | ||||
| B10D | 93. 64 | 1946. 08 | 0. 03 | 0. 07 | ||||
| 0 | 93. 61 | 1944. 77 | 0. 00 | 0. 00 | ||||
| A1D | 93. 51 | 1942. 01 | －0. 11 | －0. 14 | ||||
| 75 | ||||||||
| A3D | 93. 51 | 1942. 37 | －0. 11 | －0. 12 | ||||
| A5D | 93. 51 | 1942. 16 | －0. 11 | －0. 13 | ||||
| A10D | 93. 51 | 1942. 23 | －0. 11 | －0. 13 | ||||
由此說明，取壓位置的選擇對(duì)于氣體羅茨流量計(jì)影響不大，都在誤差允許范圍內(nèi)。采用表前取壓時(shí)，壓力和儀表系數(shù)誤差均為正值。采用表后取壓時(shí)，壓力和儀表系數(shù)均為負(fù)值，且不同取壓位置對(duì)測量結(jié)果的影響程度基本相同。對(duì)于氣體羅茨流量計(jì)，根據(jù) JJG633－2005 氣體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程“測壓位置在流量計(jì)上游側(cè)”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有一致性，采用表前取壓方式能夠更準(zhǔn)確反映流量計(jì)的計(jì)量性能，如果不能實(shí)現(xiàn)也可以采用表后取壓。