渦輪流量計與齒輪流量計對介質粘度的適應性比
摘 要: 本文對油品流量測量中使用***為廣泛的兩種流量計———渦輪流量計與齒輪流量計對粘度的適應性進行了理論分析與實驗.分別在燃油(常溫粘度 1 .7 mm2/s)、 液壓油(常溫粘度 20.0 mm2/ s)、 潤滑油(常溫粘度 60 .0 mm2/s)流量標準裝置上對兩種流量計進行了校準.比較數據得出齒輪流量計對粘度的適應性更強, 渦輪流量計在燃油介質與潤滑油介質(同量點)中的儀表系數差異高達 16 %, 因此渦輪流量計進行高粘度油品流量測量需采用與實際介質相近粘度的介質進行校準, 確保流量測量的準確.
0、引言：
渦輪流量計與齒輪流量計是油品流量測量中使用***為廣泛的兩種流量計[ 1–2] , 尤其是渦輪流量計憑借其價格低廉、 精度高而得到廣泛認可, 使用者在任何場合都喜歡使用渦輪流量計.
本文從介質粘度這量計選型使用的重要依據出發(fā) , 理論分析與實驗比較渦輪流量計與齒輪流量計對介質的適應性, 可以更好地選擇使用這兩種流量計.
1、介質粘度對渦輪流量計系數影響理論的分析：
圖 1 所示為渦輪流量傳感器結構簡圖[ 3] .由圖 1 可見, 當被測流體流過傳感器時, 在流體作用下 , 葉輪受力旋轉, 其轉速與管道平均流速成正比, 葉輪的轉動周期性地改變磁電轉換器的磁阻值.檢測線圈中的磁通量隨之發(fā)生周期性變化 , 產生周期性的感應電勢, 即電脈沖信號經放大器放大后, 送至顯示儀表顯示 .渦輪流量計常用的實際流量方程為[ 4]
| Q = f/ k , | |||||||||||
| 式中 :Q 為體積流量 , 單位 :L/s ;f 為流量計輸出的頻 | |||||||||||
| 率, 單位:Hz ;k 為儀表系數 , 單位 P/L(每升發(fā)出多少個 | |||||||||||
| 脈沖). | |||||||||||
| 通常在使用渦輪流量計時, 通過測量流量計的輸出 | |||||||||||
| 頻率除以儀表系數(實驗室校準獲得)得到體積流量. | |||||||||||
| 國內外學者提出許多渦輪流量計理論流量方程 , 根 | |||||||||||
| 據這些模型可知影響儀表系數的因素較多 , 并可對介質 | |||||||||||
| 粘度對流量計儀表系數的影響進行定性預測 , 儀表系數 k | |||||||||||
| 可近似表示為[ 3] | |||||||||||
| k = | 1 | υ | 1 | (2) | |||||||
| 7 | |||||||||||
| 1 | (β -γ( )), | ||||||||||
| +αυ | Q | ||||||||||
圖 1 渦輪流量計結構簡圖
圖 2 齒輪流量計結構簡圖
2、介質粘度對齒輪流量計系數影響的理論分析：
齒輪流量計屬于容積式流量計 .齒輪流量計結構簡圖見圖 2 .其工作原理為:流體在上游的壓力作用下進入流量計 , 推動一對嚙合的圓柱齒輪轉動 .齒輪的齒頂圓和端面與殼體底座及殼體上蓋之間的間隙非常小, 齒輪在轉動過程中, 輪齒把流動的液體連續(xù)不斷地分割成單個的體積單元, 每個體積單元等于兩個輪齒的容積.齒輪每轉動一個齒距的角度, 排出等于兩個輪齒容積的流體體積.在殼體上蓋對應測量齒輪分度圓處安裝兩個電磁轉速傳感器, 齒輪轉動時 , 輪齒每次經過電磁轉速傳感器, 流量計發(fā)出一個電脈沖信號 .根據流量計發(fā)出的脈沖數可以測量流體的流量[ 6] .
齒輪流量計儀表系數的影響因素比渦輪流量計的要少 , 主要是泄漏量的影響.在結構尺寸確定后泄漏量可近似表示為[ 2]
ε=α＊Q +βQ 2/ υ,
式中 :Q 為體積流量, 單位 :L/s ;α與 β 為與結構尺寸等相關的常數;υ為介質粘度 .
由式 (3)以及儀表系數的定義可知 υ越大泄漏量越小, 泄漏量越小對應的儀表系數越大 , 線性區(qū)域也越寬.
3、實驗裝置：
液體流量裝置一次標準基本采用質量法、容積法、 體積管法等進行流量的測量.從國際油品流量校準設備的發(fā)展趨勢看 , 對測量油品或化學品等介質的流量計的校準, 多采用體積管式流量標準裝置 .本文所涉及到的實驗均在作者單位 3 套主動體積管式流量標準裝置上完成, 裝置原理一樣 , 見圖 3 , 區(qū)別在于介質粘度與流量范圍 .
圖 3 主動體積管裝置原理圖
工作原理:校準前開啟閥 1 , 2 , 關閉閥 3 , 由伺服電機通過滾珠絲杠帶動活塞在主動體積管中運動 , 產生標準流量源(標準流量的大小由上位機軟件通過調節(jié)電機轉速進行控制), 液體通過閥 1 流經被校流量計, ***終流入油箱.光柵用于測量活塞行程 , 活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運行時間就得到體積流量, 通過比較被校流量計的示值與體積管測量的標準體積流量值實現流量計的校驗.
裝置基本指標如下:
介質:航空煤油(常溫粘度 1 .7 mm2/s);流量范圍 :0 .5 L/min ～ 1 000 L/min ;相對擴展不確定度 :U =0 .05 %, k =2 ;介質 :15 號液壓油(常溫粘度 20 .0 mm2/s);流量范圍:0 .05 L/min ～ 400 L/min ;相對擴展不確定度:U =0 .05 %, k =2 ;介質 :4 050 潤滑油(常溫粘度 60 .0m m2/s);流量范圍:1 L/min ～166 .7 L/min ;相對擴展不確定度:U =0 .08 %, k =2 .
4、采用不同粘度介質對兩種流量計校準：
本文選取了常用國產渦輪 LWGY-15 與德國 KRACH T 公司 VC5 齒輪流量計為樣本 , 分別在燃油、液壓油、 潤滑油流量裝置上進行了實驗.實驗數據如表 1 、 表 2 所示 .
| 表 1 | 渦輪流量計試驗數據 | ||||||||||
| Tab.1 | Turbin e flowm eter tes ting d ata | ||||||||||
| 流量點 kL/ h | 平均儀表 | ||||||||||
| 介質 | 粘度/(mm2·s -1) 0 | .6 | 2 | .4 | 6 | 重復性% | 線性% | ||||
| 系數/ P·L –1 | |||||||||||
| 對應儀表系數/ P·L -1 | |||||||||||
| 燃油 | 1 .76 | 826 | .941 | 829 | .146 | 829 .873 | 828 .407 | 0 .02 | 0 | .176 966 | |
| 液壓油 | 17 .7 | 760 .9 | 813 | .679 | 820 .423 | 790 .661 5 | 0 .02 | 3 | .780 249 | ||
| 潤滑油 | 76 .1 | 697 | .809 | 781 | .548 | 809 .143 | 753 .476 | 0 .05 | 7 | .388 026 | |
| 系數相對誤差% | -7 .986 18 | -1 | .865 41 | -1 .138 73 | -4 .556 4 | 燃油與液壓油 | |||||
| 系數相對誤差% | -15 .615 6 | -5 | .740 61 | -2 .497 97 | -9 .045 19 | 燃油與潤滑油 | |||||
| 系數相對誤差% | -8 .291 63 | -3 | .948 85 | -1 .374 9 | -4 .703 09 | 液壓油與潤滑油 | |||||
| 表 2 | 齒輪流量計試驗數據 | |||||||||||
| Tab.2 Gear h owmeter testing data | ||||||||||||
| 流量點 L/ min | 平均儀表 | 重復性% | 線性% | |||||||||
| 介質 | 粘度 | 2 | -1 | 1 | 50 | 100 | ||||||
| /(mm | ·s | ) | 系數/ P·L –1 | |||||||||
| 對應儀表系數/ P·L –1 | ||||||||||||
| 燃油 | 1 .41 | 191 .622 | 190 .911 | 189 .931 | 191 .428 5 | 0 .02 | 0 .394 441 | |||||
| 液壓油 | 17 .5 | 191 .421 | 191 .647 | 191 .436 | 191 .534 | 0 .03 | 0 .058 997 | |||||
| 潤滑油 | 33 .316 | 191 .838 | 192 .052 | 192 .086 | 191 .962 | 0 .02 | 0 .064 596 | |||||
| 系數相對誤差% | -0 .104 89 | 0 .385 52 | 0 .792 393 | 0 .055 112 | 燃油與液壓油 | |||||||
| 系數相對誤差% | 0 .112 84 | 0 .595 365 | 1 .125 703 | 0 .278 541 | 燃油與潤滑油 | |||||||
| 系數相對誤差% | 0 .217 844 | 0 .211 326 | 0 .339 539 | 0 .223 459 | 液壓油與潤滑油 | |||||||
5、 實驗結果分析：
從表 1 與表 2 的實驗數據可以看出:
1)實驗結果與理論公式得到的趨勢相吻合 .渦輪流量計的儀表系數隨粘度增加而減小, 線性范圍變窄;齒輪流量計的儀表系數隨粘度增加而增加, 線性范圍變寬.
2)粘度對渦輪流量計的影響很大 .LWGY 系列流量計用于燃油介質時量程比為 10 :1 時線性為 0 .2%, 但運用于潤滑油介質時線性達 7 %, 且在同樣流量下系數變化達 16 %.
3)粘度對齒輪流量計的影響相對較小 .VC5 齒輪流量計用于燃油介質量程比為 100 :1 時線性為 0 .4%, 運用于潤滑油介質時線性為 0 .1%, 在同樣流量下系數變化***大為 0 .6%.
流量計采用的建議:
1)高粘度油品流量測量時盡量采用齒輪流量計等容積式流量計 , 低粘度油品流量測量時可采用渦輪流量計 .
2)如果采用渦輪流量計進行高粘度油品流量測量, 需采用與實際介質相近粘度的介質進行校準 , 確保流量測量的準確.