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新型涡轮流量计计量性能试验研究
发布时间:2020-8-6 08:35:44

摘要:在一个体积管标准装置上对一种新型涡轮流量计的计量性能进行了试验研究。和传统涡轮流量计不同,该新型涡轮流量计的叶轮采用3叶片长螺旋形结构,且没有轴,轴承直接套在叶轮罩上。试验结果表明,通过叶轮结构.上的改进.流量计的抗流动干扰能力明显增强,不过由于该流量计的叶轮较大,小流量时流量计仪表系数受到流体黏性阻力和轴承摩擦阻力影响要比大流量时的影响大因此.在量程范围内依据检定规程计算得到流量计的最大示值误差为0.2069,但重复性非常好,为0.077%。利用分段插值方法对流量计的仪表系数进行修正后重新进行试验.试验结果表明该修正方法取得较好的效果,流量计的相对示值误差在+0.3%内。
0引言.
  涡轮流量计属于速度式流量计,具有测量准确度高、复现性和稳定性均好等优点,而广泛应用于石油、化工、电力等领域,并被应用于贸易计量”。但是涡轮流量计的计量特性易受到来流的速度分布和旋转流的影响(3-61,限制了其在安装空间受限的场合使用。
  笔者在传统涡轮流量计的基础上,通过对叶轮的改进设计,采用3叶片长的螺旋形叶轮结构,使流量计的抗流动干扰能力得到了极大的改善。本文对该新型涡轮流量计的计量性能在一一个用于检定容积式流量计的体积管标准装置上进行了试验研究,并对试验结果进行了分析。
1新型涡轮流量计结构
  涡轮流量计内的叶轮是流量信号检测部件,其作用是把流体动能转换成机械能,通过叶轮旋转,在叶片.上取出与流量成正比的频率信号。与传统涡轮流量计不同,该新型涡轮流量计的叶轮采用的是3叶片长螺旋型结构,叶轮外加一一个叶轮罩;叶轮罩加工成为两端对称的台阶形式,其中间部分和流量计内壳之间的间隙非常小,只有0.1~0.2mm;叶轮轮毂两端采用半椭球形结构,以缓和流量计进、出口速度分布的急剧变化,提高叶轮旋转稳定性以及降低压力损失。另外,该流量计没有转轴,轴承直接套在叶轮罩上,轴承的定位通过前、后导流架和叶轮罩上的台阶来实现。这种结构设计的优点是简单、便于安装维护,在加工工艺上易于实现既定的公差要求,从而确保叶轮在壳体内平稳转动。由于叶轮结构的改进.新型涡轮流量计的计量特性上也表现出了与传统涡轮流量计的不同之处。一是由于该流量计的叶轮尺寸较大,叶轮需要较大流量推动才开始转动,故始动流量较大;而且小流量时,作用在叶轮上的流体粘性阻力矩和轴承摩擦力矩对流量计叶轮的旋转速度的影响要比大流量时严重得多,因此,流量计的仪表系数在整个量程范围内的线性度不好,需要对仪表系数进行修正。二是叶轮具有很强的“整流”作用因,主要是由于螺旋形叶轮结构能产生很强的漩涡作用.加速和增大了叶轮结构内的紊流混合作用,实现了能在较短距离内将含有不同流动干扰量的流速整流成为相同的流速分布。三是流量计的流通能力降低,因此,压力损失也要比传统涡轮流量计的压力损失大。新型涡轮流量计结构示意图如图1所示
新型涡轮流量计结构示意图
2试验装置
  液体标准流量装置为LJG41型球式双向体积管检定装置。该标准体积管的流量范围为1~50m3/h,重复性优于0.2%,准确度为0.035%,标准体积为99.1344L。需要说明的是该检定装置主要是用于容积式流量计的检定,因此,在安装被检流量计管段上游并没有足够长的直管段,其上游直接.连接一个球阀,紧接着连接一个T型管路。主要是想利用这样的流量检定装置来检验该新型涡轮流量计是否具有容积式流量计的计量特点,即其上、:下游无需直管段。
  该试验装置检定流量计的流程如图2所示。进行流量计检定时,根据JJG1037--2008《涡轮流量计检定规程》9)的要求,在流量计的上游安装压力传感器,在流量计的下游安装温度传感器。涡轮变送器与计算机采用屏蔽电缆连接。为了便于调节流量,同时把变送器与流量积算仪连接,根据积算仪的瞬时流量显示,调节每个检定点流量的大小,保证每个检定点的流量符合检定规程的要求。
3试验结果及分析
3.1基本性能试验研究
  该新型涡轮流量计的设计技术指标如下:公称直径为50mm,流量范围为6~30m'/h,计量准确度为0.3级,重复性优于0.1%试验介质为0号柴油,其运动粘度为3.6×10-6m2/s(20℃),环境温度为9℃,相对湿度为65%。依据涡轮流量计检定规程中的要求选择了6个流量点进行试验,每个流量点的试验次数为6次。试验时同时记录每个流量点的检定条件。例如,对试验流量为21m3/h时记录的试验条件如下:体积管液温平均值为10.2℃,体积管表压平均值为0.26MPa,流量计处液温平均值为10.0℃,流量计处表压平均值为0.2MPa。
  结合试验数据,流量计的仪表系数、示值误差.和重复性的计算过程如下.
1)检定条件下体积管的实际体积的计算:

  式中:Vij为第i检定点第j次检定时标准体积管处的实际体积;Va为标准体积管的标准体积;D为标准体积管的内径;e为标准体积管的厚度;E为标准体积管材料的弹性模量;(pa)ij为第i检定点第j次检定时标准体积管处液体压力;β。为标准体积管的体膨胀系数,(?s)ij为第i检定点第j次检定时标准体积管处液体温度。
2)每个检定点每次检定时仪表系数的计算:

  式中:Kij为第i检定点第j次检定时所得的仪表系数;N;为第i检定点第j次检定时流量计显示仪表测得的脉冲数;(?m)ij为第i检定点第j次检定时流量计处的液体温度;(pm)ij为第i检定点第j次检定时流量计处的液体表压力;β为检定用液体在检定状态下的体膨胀系数;κ为检定用液体在检定状态下的压缩系数。
3)每个检定点仪表系数的计算:

  表1为6个流量检定点的试验数据依据式(1)至式(4)最后计算得到的每个检定点的仪表系数和重复性。然后分别依据式(6)计算得到该流量计的最大示值误差为0.2069。试验结果说明该新型涡轮流量计的线性度非常不好,但流量计的重复性非常好,为0.077%,故可对该流量计的仪表系数进行非线性修正,以扩大其量程范围0。另外,较好的测量重复性说明了该新型涡沦流量计具有较好的抗流动干扰能力,与文献[7]中的研究结论是相一致的。

3.2仪表系数修正
  现有速度式流量计的仪表系数非线性修正常用的方法有线性插值法、三次样条插值法和最小二乘法:1-12]。考虑到新型涡轮流量计流量Q与仪表系数K的关系曲线为单调递增关系,较适合采用线性插值方法进行修正。以流量计检定点作为插值函数的节点,即各检定流量点Qi(i=0,1,.5)对应的仪表系数为Ki(i=0,1,.5),采取分段插值对其他流量点的仪表系数进行修正,具体的计算表式为:

  为了考察流量计仪表系数修正效果,将6个检定点的仪表系数现场写人流量积算仪,然后,在体积管标准装置上选择10个非检定流量点进行试验,所得到的试验结果如表2所示。Q表是流量积算仪的显示值,Q标是标准装置的示值,8。是两者的相对误差,具体的计算公式为:

  结果表明,通过仪表系数非线性修正,流量计.的相对示值误差在+0.3%之内,故实现了既定的设计要求。
4结论
  在体积管标准装置上对一新型涡轮流量计的计量性能进行了试验研究。试验结果表明,由于该新型涡轮流量计的叶轮采用了3叶片长螺旋形结构,使流量计在抵抗来流速度畸变对计量特性的影响方面得到了明显的改善,不过也导致了流量计的线性度非常差,但流量计的重复性非常好。试验结果同时也表明,通过采用非线性修正后在全量程范围内该新型涡沦流量计的计量准确度等级可达0.3级,从而为安装空间受限场合,例如机动油料装备上,提供了高精度的流量计量装置。

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