如何測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)場檢驗(yàn)，***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)確測量氣體介質(zhì)的目的。
本文通過對氣體渦輪流量計(jì)的工作原理、測量原理、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)際測量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對氣體渦輪流量計(jì)測量的相關(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)是一種速度式流量儀表，當(dāng)被測流體流經(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
由于是對氣體的測量，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)壓力檢測點(diǎn)處的表壓，kPa；Pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮?，kPa；Tg——介質(zhì)的溫度（273.15+t），K；t——被測介質(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壓力，即Pg+Pa，被測氣體的溫度也可直接測出，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、壓力，使用非常方便。
四、壓縮因子對氫氣的影響分析
大家都知道天然氣必須經(jīng)過壓縮因子修正，由于檢測的氣體為氫氣，根據(jù)廠家提供的氫氣在不同的溫度對應(yīng)的不同的壓力下所測出的氫氣壓縮系數(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)的測定和實(shí)時(shí)程序?qū)懭?，以及對?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)對流量測量的修正和補(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，可對被測氣體溫度、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。
智能氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)品詳解：
一、智能氣體渦輪流量計(jì)概述
LWQ系列氣體智能渦輪流量計(jì)是在原LWQZ系列氣體渦輪流量計(jì)的基礎(chǔ)上增加了溫度、壓力自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償和壓縮因子修正功能的新型一體化智能流量計(jì)，能對工況條件下測得的流量值進(jìn)行P.T.Z修正并直接顯示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（P0=101325Pa、T0=293.15K）的體積總量。經(jīng)鑒定：其綜合性能指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品國內(nèi)水平和國際九十年代中期水平，是石油、化工、冶金以及城市燃?xì)獾刃袠I(yè)氣體計(jì)量和天然氣貿(mào)易計(jì)量的理想儀表。
二、智能氣體渦輪流量計(jì)特點(diǎn)：
1、測量范圍寬，下限流速低于0.5m/s，壓力損失小，葉輪抗沖擊能力強(qiáng)。
2、具有較高的抗電磁干擾和抗震動(dòng)能力，采用全密封隔離保護(hù)自潤滑軸承， 性能可靠工作壽命長。
3、采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)，功耗低，性能優(yōu)越。具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能流量顯示器。 精度優(yōu)于±0.02%。
4、儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在LCD屏上，LCD屏直觀清晰，可靠性高。
5、采用EEPROM對累積流量、儀表系數(shù)進(jìn)行掉電保護(hù)。保護(hù)時(shí)間大于10年。
6、可在被測氣體穩(wěn)定的壓力狀態(tài)下進(jìn)行壓力補(bǔ)償。
三、智能氣體渦輪流量計(jì)主要技術(shù)參數(shù)
★ 流量計(jì)規(guī)格，基本參數(shù)和性能指標(biāo)（見表一）
★ 準(zhǔn)確度：0.5級、1.0級；
★ 使用條件：1、 環(huán)境溫度-20℃～50℃;
2、 相對溫度：5%～95%;
3、 被測介質(zhì)溫度：-20℃～80℃;
4、 大氣壓力：86Kpa～106Kpa;
5、 防爆等級：ibⅡBT4.
四、 電氣特性
1、 顯示方式：
（1）LWQ-A 遠(yuǎn)傳顯示：脈沖輸出（配顯示儀表）；
（2）LWQ-B 現(xiàn)場顯示：7位LCD顯示累積流量，單位（m3）7位LCD顯示瞬時(shí)流量，單位（m3/h）（帶漢字顯示符）
（3）LWQ-C 溫度壓力補(bǔ)償型：
a、顯示標(biāo)準(zhǔn)瞬時(shí)流量及標(biāo)準(zhǔn)累計(jì)流量；
b、顯示工況瞬時(shí)流量及工況累計(jì)流量；
c、顯示當(dāng)前壓力、溫度、電池電壓；
d、顯示日期和時(shí)鐘。
2、輸出功能：
?。?）脈沖輸出，p-p值由供電電源確定；
?。?）4~20mA兩線制電流輸出；
?。?）單位體積脈沖輸出及傳感器原始脈沖輸出；
?。?）帶有RS485半雙工通訊接口、RS232半雙工通訊接口。
3、供電電源：
?。?）LWQ-A；DC5~24V；
（2）LWQ-B：3V鋰電池安裝于儀表內(nèi)部可連續(xù)使用八年以上；
（3）LWQ-C：3V鋰電池安裝于儀表內(nèi)部可連續(xù)使用四年以上；
五、測量范圍及工作壓力
公稱通徑
（mm） |
型號(hào) |
標(biāo)準(zhǔn)量程
（m3/h） |
擴(kuò)展量程
（m3/h） |
耐壓等級
（MPa） |
安裝方式 |
|
DN25 |
HQLWQ-25□ |
|
—— |
W3 |
0.5-4 |
4.0 |
法蘭（螺紋） |
|
|
—— |
W4 |
0.7-7 |
4.0 |
|
|
—— |
W5 |
1.5-15 |
4.0 |
|
S1 |
3-30
|
W1 |
1.5-30 |
4.0 |
|
S2 |
4-40
|
W2 |
2-40 |
4.0 |
|
DN40 |
HQLWQ-40□ |
S1 |
5-50 |
W1 |
2.5-50 |
4.0 |
法蘭（螺紋） |
|
S2 |
8-80 |
W2 |
4-80 |
4.0 |
|
DN50 |
HQLWQ-50□ |
S1 |
10-100 |
W1 |
5-100 |
4.0 |
法蘭 |
|
S2 |
15-150 |
W2 |
8-150 |
4.0 |
法蘭 |
|
DN65 |
HQLWQ-65□ |
S |
15-200 |
W |
10-200 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN80 |
HQLWQ-80□ |
S |
15-300 |
W1 |
10-300 |
1.6 |
法蘭 |
|
W2 |
15-350 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN100 |
HQLWQ-100□ |
S |
20-400 |
W1 |
15-400 |
1.6 |
法蘭 |
|
W2 |
20-500 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN125 |
HQLWQ-125□ |
S |
20-800 |
W1 |
18-800 |
1.6 |
法蘭 |
|
W2 |
20-900 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN150 |
HQLWQ-150□ |
S |
50-1000 |
W1 |
25-1000 |
1.6 |
法蘭 |
|
W2 |
50-1200 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN200 |
HQLWQ-200□ |
S |
150-2000 |
W |
80-2500 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN250 |
HQLWQ-250□ |
S |
200-3000 |
W |
150-3500 |
1.6 |
法蘭 |
|
DN300 |
HQLWQ-300□ |
S |
250-4000 |
W |
200-4000 |
1.6 |
法蘭 |
注1：表2中“標(biāo)準(zhǔn)量程”中標(biāo)示的測量范圍為通用測量范圍；（即適用于：HQLWQ-N/A/B/C/D）
注2：表2中“擴(kuò)展量程”中標(biāo)示得測量范圍僅限用于“智能一體化天然氣流量表”或“智能溫壓補(bǔ)償一體化天然氣流量表” （即適用于：HQLWQ-B/C/D）
八、結(jié)束語
通過3個(gè)月的運(yùn)行觀察，再結(jié)合現(xiàn)場的工藝條件，該渦輪流量計(jì)測得的流量跟工藝用量基本一致，滿足我們的計(jì)量要求。
