DN65渦輪流量計

      DN65渦輪流量計具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強、精度高、體積小等特點，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，包括流量試驗、石油計量和工業(yè)生產(chǎn)過程控制。工業(yè)生產(chǎn)中潤滑油、液壓油等介質(zhì)粘度一般隨系統(tǒng)溫度變化較大[1-2]，由于渦輪流量計其對介質(zhì)粘度較敏感，直接使用實驗室校準結(jié)果無法滿足變粘度工況流量測量要求。例如在航空發(fā)動機研制試驗中，渦輪流量計用于航空潤滑油的測量，在20℃~100℃范圍內(nèi)，航空潤滑油粘度可由幾十厘斯降低至幾厘斯，甚至變化范圍更大。渦輪流量計用于航空潤滑油流量測量時，由于試驗中工作介質(zhì)溫度變化，使用條件偏離實驗室校準條件較大，校準結(jié)果直接應(yīng)用于發(fā)動機滑油流量測量將導(dǎo)致較大誤差[3-8]。
　　以航空潤滑油流量標準裝置為試驗平臺，對十支渦輪流量計在不同粘度點進行校準試驗，對儀表系數(shù)隨粘度和流量變化關(guān)系進行分析。研究發(fā)現(xiàn)通過雙指數(shù)衰減函數(shù)對儀表系數(shù)（K）和頻率與粘度之商（f/υ）進行曲線擬合可有效降低測量誤差，建議通過關(guān)鍵點雷諾數(shù)間接確定校準流量點，在保證擬合曲線有效性的前提下減少校準工作量。
1試驗設(shè)備
1.1標準裝置
　　圖1是航空潤滑油流量校準裝置示意圖。裝置采用伺服電機驅(qū)動標準計量油缸的結(jié)構(gòu)形式，主要由計量油缸、電機及控制器、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、校準管路、切換閥門、油箱、控溫機組、溫度壓力傳感器、精密光柵尺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制計算機等部件構(gòu)成。裝置采用伺服電機驅(qū)動標準計量油缸產(chǎn)生標準流量源，計量油缸同時作為容積標準，與光柵配合構(gòu)成流量測量系統(tǒng)。校準裝置通過調(diào)節(jié)控制介質(zhì)溫度而改變介質(zhì)粘度。標準裝置技術(shù)指標為：流量范圍：0.5~160L/min；擴展不確定度：0.05%（k=2）；溫度范圍：20~120℃。

1.2被試流量計
試驗用流量計是渦輪流量計，CL-10和CL-15各5支，流量計信息見表1。

2校準試驗結(jié)果
　　研究利用航空潤滑油流量標準裝置在20，30，40，50，60，80℃對10支渦輪流量計進行校準試驗。CL-10型流量計校準流量點分別為6，17，28，39，50L/min；CL-15型流量計校準流量點分別為12，24，36，48，60L/min。圖2是1748和1660兩支渦輪流量計在各粘度點儀表系數(shù)隨流量變化曲線。

　　由圖2可知，不同粘度點下流量計儀表系數(shù)差異很大，圖3是10支流量計各流量點儀表系數(shù)誤差曲線。儀表系數(shù)差異通過式（1）計算。結(jié)果顯示，在低流量點儀表系數(shù)大相差18%以上，在高流量點儀表系數(shù)小相差約1%。

式中：Kν?max——某流量點大粘度下儀表系數(shù)，L–1；
Kν?min——某流量點小粘度下儀表系數(shù)，L–1。

3流量計算和校準方法研究
3.1渦輪流量計數(shù)學(xué)模型
3.1.1層流狀態(tài)
　　層流狀態(tài)下渦輪流量計儀表系數(shù)數(shù)學(xué)模型[9]為

式中：
Z——渦輪葉片數(shù)；
θ——葉片結(jié)構(gòu)角；
r——渦輪葉片平均半徑；
A——流通面積；
ρ——介質(zhì)密度；
qv——體積流量；
η——介質(zhì)動力粘度；
C1——層流狀態(tài)下阻力矩常數(shù)。
　　層流狀態(tài)下，渦輪流量計儀表系數(shù)隨qv/η增大而迅速增大，可見儀表系數(shù)對介質(zhì)粘度非常敏感。
3.1.2紊流狀態(tài)
　　紊流狀態(tài)下渦輪流量計儀表系數(shù)數(shù)學(xué)模型[9]可通過式（3）表示。

其中C2為紊流狀態(tài)下阻力矩常數(shù)。
　　紊流狀態(tài)下，儀表系數(shù)僅與渦輪流量計本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量和介質(zhì)粘度等參數(shù)無關(guān)，可近似為一常數(shù)。
3.2儀表系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系
　　渦輪流量計不同溫度點儀表系數(shù)K差異很大,其主要原因是溫度改變導(dǎo)致航空潤滑油粘度改變。校準結(jié)果中儀表系數(shù)隨流量變化曲線未體現(xiàn)滑油粘度對渦輪流量計的影響，雷諾數(shù)Re可通過式(2)、式(4)計算,可見q,/n基本與Re成正比。

式中：
qv——體積流量；
d——渦輪流量計內(nèi)徑；
ν——滑油運動粘度。
　　同一支渦輪流量計在雷諾數(shù)相近的情況下，其對應(yīng)的儀表系數(shù)很接近，儀表系數(shù)是雷諾數(shù)的單值函數(shù)。圖4是渦輪流量計儀表系數(shù)隨雷諾數(shù)關(guān)系圖，變化趨勢與雙指數(shù)衰減函數(shù)一致[10]，雙指數(shù)衰減函數(shù)可由式（5）表示。


　　圖5是兩支渦輪流量計Re與K擬合曲線圖。表2是流量計擬合曲線系數(shù)。通過r2值對擬合度進行評估，10支渦輪流量計擬合優(yōu)度值處于0.992~0.998之間，擬合結(jié)果非常好。


3.3流量計算方法
　　儀表系數(shù)可用雷諾數(shù)的雙指數(shù)衰減函數(shù)表示，而雷諾數(shù)可由平均流速和運動粘度計算得到，所以儀表系數(shù)（K）是流量計輸出頻率與運動粘度之商（f /ν）的函數(shù)。研究中采用雙指數(shù)衰減函數(shù)進行擬合，流量可由式（6）和式（7）計算，通過式（8）對計算誤差進行評估。表3是10支渦輪流量計流量計算結(jié)果。10支流量計擬合計算結(jié)果與標準流量大誤差都小于1%。

式中：
Kfit——擬合儀表系數(shù)；
qfit——擬合計算流量；
qs——試驗標準流量。

3.4校準方法研究
　　《渦輪流量計檢定規(guī)程》JJG1037-2008[11]適用于工作中流體介質(zhì)粘度基本穩(wěn)定的場合，在變粘度工況下，直接參照該規(guī)程進行流量選點實用性較差[12]。渦輪流量計工作中粘度范圍較寬，對其在全粘度范圍進行校準可行性同樣受到限制。變粘度工況下，在滿足渦輪流量計測量要求的前提應(yīng)盡量減少校準點數(shù)。
　　利用雙指數(shù)衰減函數(shù)對儀表系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系進行擬合，在層流范圍內(nèi)（Re<2300），儀表系數(shù)隨Re增加迅速增加，尤其是在Re<1000范圍內(nèi)更加明顯；而在Re>3000紊流范圍內(nèi)，儀表系數(shù)變化平緩，接近常數(shù)；在1000<Re<3000范圍內(nèi)，流動處于e?Re/t1e?Re/t2過渡過程，儀表系數(shù)增長速度逐漸放緩，趨于穩(wěn)定。Re對K的影響由和兩個模態(tài)決定，分別定義為模態(tài)1和模態(tài)2。由表2可知模態(tài)1內(nèi)t1對應(yīng)雷諾數(shù)處于130~210范圍內(nèi)；模態(tài)2內(nèi)t2對應(yīng)雷諾數(shù)處于800~1200范圍內(nèi)，而擬合函數(shù)常數(shù)項K0是在Re>3000的穩(wěn)定儀表系數(shù)。
　　初步確定校準流量點對應(yīng)的雷諾數(shù)為Remax、5000、3000、2000、1200、800、500、200和Remin。調(diào)整校準介質(zhì)粘度與使用條件盡量接近，其中在Re≥2000范圍，選用低粘度校準介質(zhì)，校準流量通過式（4）反算得到；同理在Re<2000范圍內(nèi)，選用高粘度介質(zhì)，校準流量通過式（4）反算得到。
　　選取與以上要求的9個關(guān)鍵雷諾數(shù)相近的流量點數(shù)據(jù)進行擬合，并與全數(shù)據(jù)擬合結(jié)果進行比較，兩者差別通過式（9）進行評估。圖6是兩種擬合方式差別分布情況。300對數(shù)據(jù)點中，僅有1點儀表系數(shù)差別超過2%，其他各點差別均小于0.5%，而且99%以上的數(shù)據(jù)點差別小于±0.33%，86%以上的數(shù)據(jù)點差別小于±0.20%。

式中：
Kfull——全數(shù)據(jù)擬合儀表系數(shù)；
K9——關(guān)鍵點擬合儀表系數(shù)；
E——擬合差別。
 

DN65渦輪流量計性能特點
  1、高精確度,一般可達±1%R、±0.5%R,高精度型可達±0.2%R；
  2、輸出脈沖頻率信號，適于總量計量及與計算機連接，無零點漂移，抗*力強；
  3、可獲得很高的頻率信號（3~4kHz），信號分辨力強；
  4、范圍度寬，中大口徑可達1:20，小口徑為1:10；
  5、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大；
  6、適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；
  7、可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護方便。
  8、重復(fù)性好短期重復(fù)性可達0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性

技術(shù)性能：表1

測量范圍及工作壓力：表2

 公稱通徑： 表3

安裝要求

1.氣體渦輪流量計前必須安裝過濾器；應(yīng)保持過濾器暢通，若發(fā)現(xiàn)過濾器堵塞（可憑過濾器進出壓差來判斷）時，應(yīng)及時對過濾器進行清洗，若未配差壓計的每月清洗一次。

2.要保證直管段的要求，尤其是表前有縮徑或半開閥門的情況。

3.安裝時，密封墊不得突入管道中，流量計與管路軸線目測不得有明顯偏差，不得產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

4.安裝時一定要清掃干凈管道內(nèi)的所有雜質(zhì)，以防軸承和渦輪卡死。