乙醇管道流量計

       乙醇管道流量計是速度式流量計中的主要種類，當被測流體流過渦輪流量計傳感器時，在流體的作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量，根據(jù)電磁感應原理，在線圈內(nèi)將感應出脈動的電勢信號，即電脈沖信號，此電脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比。影響渦輪流量計精度的主要外部因素是流體的流動狀態(tài)，渦輪流量計特性曲線要保持良好的線性關系，流過流量計的流體應為充分發(fā)展的流型。
1.旋轉(zhuǎn)系數(shù)與下游直管段長度之間的關系
旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)強度用旋轉(zhuǎn)系數(shù)來表示，旋轉(zhuǎn)系數(shù)定義為角動量通量與軸向動量通量的比值：

式中：ω -- 周向速度；
u -- 軸向速度；
R -- 管道半徑；
A -- 流體流過的橫截面積；
ρ -- 密度。
對于圓管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流，在r=0.95R處的旋轉(zhuǎn)角度最大，即：

采用多項迭代的方法，可編程計算出在某個值時（X 為圓管直徑D的倍數(shù)）滿足一定精度的Sw值：

    常數(shù)b和c與流體性質(zhì)、雷諾數(shù)和流量有關，需要通過實驗確定。對于不可壓縮流體，b=0.030~0.085，c=0.10~0.50。一般來說，流量越大，旋轉(zhuǎn)流的衰減越大，由式（3）可以看出，旋轉(zhuǎn)流發(fā)生后的直管段越長，旋轉(zhuǎn)流的強度越弱，對渦輪流量計精度的影響越小。
2.實驗設計與結(jié)果分析
    為了在實驗過程中能得到理想的旋轉(zhuǎn)流體，實驗中采用了模擬多種強度旋轉(zhuǎn)流的發(fā)生器，旋轉(zhuǎn)流發(fā)生器安裝在流量計上游來流的起始點處。
    實驗采用稱量法，記錄電子稱上的質(zhì)量脈沖數(shù)N，N乘以質(zhì)量脈沖常數(shù)（0.08333），即得到質(zhì)量值（kg），同時記錄時間和渦輪變送器的脈沖數(shù)，在每個流量點重復做三次，記錄三組數(shù)據(jù)，共選擇5個流量點來覆蓋渦輪流量計的測量量程。流量Q=0.08333N/t，儀表系數(shù)為：

儀表系數(shù)K與旋轉(zhuǎn)數(shù)Sw成線性關系，儀表精度為：

其中α、d均為待定系數(shù)。
    根據(jù)實驗所得多組脈沖數(shù)和流量數(shù)據(jù)，可計算出儀表精度δ值。按δ-X方程及δ和X數(shù)據(jù)進行最小二乘法回歸，可確定α和d的數(shù)值。一般來說，對不可壓縮流體，α=1.15~2.20，d=0.016~0.11。
3.直管段長度和流量計精度的初步預測
    在工程設計中，根據(jù)流體性質(zhì)、流量和雷諾數(shù)確定α和d值。這樣，按照式（5）就可以依不同的流量計精度要求，對直管段長度進行初步預測，或確定直管段長度后，對流量計的精度做初步預測。
當δ=0.2%時，不同流量下所需直管段長度見表1。
表1 不同流量下所需直管段長度

當X=30時，不同流量下儀表精度見表2。
表2 不同流量下預測的儀表精度

對流量計的精度和直管段的預測，為不同精度要求的渦輪流量計選擇適當長度的直管段提供了理論參考。
4.結(jié)語
（1）旋轉(zhuǎn)數(shù)Sw與X成指數(shù)關系，即隨著下游距離X的增加，旋轉(zhuǎn)流強度以指數(shù)方式衰減。指數(shù)系數(shù)c和α值與介質(zhì)的性質(zhì)，雷諾數(shù)等參數(shù)有關。
（2）對于任一旋轉(zhuǎn)流源，隨著下游距離的增加，在大流量區(qū)旋轉(zhuǎn)流強度衰減速度快，而在小流量區(qū)，旋轉(zhuǎn)流強度衰減速度要慢一些，因此，對小流量的流量計管道設計中需要加長直管段，以減少旋轉(zhuǎn)流對流量計精度的影響。
（3）不論旋轉(zhuǎn)流的方向如何，流量計越靠近旋轉(zhuǎn)流源，流量計的精度δ越差，流量計精度可以按式（5）進行初步預測。
1.脈動流特性
    幾乎所有的管道流都是不穩(wěn)定的，不論是層流狀態(tài)還是湍流狀態(tài)下都存在各種干擾。所謂脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù)，但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值，這個值決定于脈動流的流動規(guī)律。
    真正的管道定常流僅出現(xiàn)在層流中，大多數(shù)工業(yè)管流均出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，試試一種統(tǒng)計意義上的定常流，脈動流會影響渦輪流量計的測量精確度，有時會使其測量值嚴重失真，所以工業(yè)上迫切需要研究脈動流對其測量精確度的影響。
    脈動無處無時不在，但測量卻非常困難，我們通常只能測量出脈動的主要參數(shù)，如輻值、頻率和波形，然后通過這些參數(shù)分析脈動可能給流量計造成的影響。
2.脈動流對導管連接型渦輪流量計測量精度的影響
2.1特性方程及計算
    渦輪流量計以動量矩守恒定理為基礎的一種速度式流量儀表，對非穩(wěn)定流由于轉(zhuǎn)子葉片和相關傳動裝置的共振、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、脈動的形狀、轉(zhuǎn)子和齒輪摩擦阻力及轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)矩等因素影響，使渦輪流量計產(chǎn)生很大的誤差，用機翼理論來分析作用在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩，可得到其運動方程:

    式中J為葉片轉(zhuǎn)動慣量，θ為葉與軸線之間的夾角，r為渦輪葉片的平均半徑，A為管道流量面積，ρ為流體密度，ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度，Q為通過管道流量。
    若把脈動流表示為Q=asin2πfpt，經(jīng)過分析整理，可得出渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動流各參數(shù)的關系：22

其中C為穩(wěn)態(tài)時的ω值。
    對特定的渦輪流量計和不同的脈動流，可編程計算出（2）式在脈動周圍內(nèi)各離散點所對應的ω（t），據(jù)此計算可畫出ω（t）曲線，其流程圖如圖1：
2.2結(jié)構與分析
    經(jīng)過計算分析，發(fā)現(xiàn)導致流量計產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動流的頻率，所加的正弦脈動流的頻率與穩(wěn)態(tài)下渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度的關系為ω=2πfp(1/qm)r2時，相應曲線與輸入正弦曲線較為接近，與理論分析基本吻合，多次改變脈動流頻率、振幅參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有時圖形失真非常厲害，通過對多幅圖形的比較，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律：（見圖2、3）

當脈動流頻率fp大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，儀表的相應曲線開始失真，脈動頻率導致相應曲線的幅值發(fā)生改變，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，脈動頻率越大，響應幅值越小，脈動頻率越小，響應幅值越大，即隨著頻率的增大，響應失真程度隨著增大，但最終有趨于穩(wěn)定的趨勢。 當脈動流頻率fp大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，響應曲線的失真程度隨脈動振幅的增大而加劇，但當脈動振幅小于某一振幅值時，其變化可認為不影響渦輪流量計的精度；當脈動頻率fp小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，響應曲線的失真程度與脈動振幅的變化無關聯(lián)。 對于形狀不失真的響應曲線，其響應曲線的幅值還與其它參數(shù)有關。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對測量誤差影響較大的參數(shù)還有葉片轉(zhuǎn)動慣量J和葉片的初始旋轉(zhuǎn)角加速度C.J越小，響應曲線的幅值越大，J越大，響應曲線的幅值越小，但J太大或太小都會影響響應曲線的幅值失真過大，其值取在2*10-6-3*10-6（kg.m2）之間時，響應曲線最好，從參數(shù)分析可知，響應曲線與輸入脈動曲線之間有一個位移，此位移的大小主要是與初始值C有關。

 
3.結(jié)論
   從以上分析計算可知，脈動流頻率對渦輪流量計的測量精度影響最大，當脈動頻率fp小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，流量儀表的響應曲線與輸入脈動曲線相似，測量結(jié)構接近于真值；脈動振幅對渦輪流量計的測量精度存在影響，但當脈動振幅小于某一振幅值時，可認為其不影響渦輪流量計的精度；葉片轉(zhuǎn)動慣量J和葉片的初始旋轉(zhuǎn)加速度C也對渦輪流量計測量精度有影響。
產(chǎn)品特點
1） 維護方便高精度，一般可達±1%R、±0.5%R，高精度型可達±0.2%R；

2） 重復性好，短期重復性可達0.05%～0.2%，正是由于具有良好的重復性，如經(jīng)常校準或在線校準可得到*的精確度，
在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計；

3） 輸出脈沖頻率信號，適用總量計量及與計算機連接，無零點漂移，抗*力強；

4） 可獲得很高的頻率信號（3～4kHz），信號分辨力強；

5） 范圍度款，中大口徑可達1:20，小口徑為1:10；

6） 結(jié)構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大；

7） 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；

8） 專用型傳感器類型多，可根據(jù)用戶特殊需要設計為各類專用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂專用型等

9） 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。

基本參數(shù)與技術性能

乙醇管道流量計選型：

注：DN15～DN40常規(guī)為螺紋連接，DN50以上為法蘭連接

例如，選用一臺法蘭連接式非防爆型渦輪流量計測量水，需要內(nèi)部鋰電池供電，管道為DN40，要求精度0.5級，304不銹鋼材質(zhì)，儀表耐壓16MPa測量范圍為標準量程，其產(chǎn)品型號應為：LWGY-40B-5SSN/H16