液體黏度對渦輪流量計性能的影響

1 原理結(jié)構(gòu)及概念

渦輪流量計利用置懸流體中葉輪感受流體的平均流速而推導(dǎo)出被測流體的瞬時流量和累積流量，一般由葉輪、導(dǎo)流器、永久磁鋼、感應(yīng)線圈、前置放大器等部分組成。渦輪流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—葉輪；2—導(dǎo)流器；3—永久磁鋼；4—感應(yīng)線圈；

5—前置放大器；6—外殼。

圖1 渦輪流量計的結(jié)構(gòu)

（1）流體黏度。由于流體流動時內(nèi)部會產(chǎn)生魔擦，所以各層的速度是不同的，在相鄰層的接觸面存在一對等值反向的力，速度較快的流層帶動速度較慢的層，使之加快速度，速度較慢層阻滯較快層，使之減速，這種阻滯力稱為內(nèi)摩擦力，而流體黏度是內(nèi)摩擦的量度，是流體反抗形變的能力。各類流體的黏度不一，對于一般流體，黏度是溫度與壓力的函數(shù)。文中提到的黏度均為運動黏度，單位為cSt，1cSt=10-6m2/s。

（2）系數(shù)。儀表系數(shù)K是指單位體積的流體通過流量計發(fā)出的脈沖數(shù)，單位為L-1，計算公式如下：

式中：Kij為第i檢定點第j次檢定時的系數(shù)，L-1；Nij為第i檢定點第j次檢定時的流量計顯示儀表測得的脈沖數(shù)；Vij為第i檢定點第j次檢定時標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的實際體積，L；β為檢定用液體在檢定狀態(tài)下的體膨脹系數(shù)；（θs）ij、（θm）ij分別為第i檢定點第j次檢定時標(biāo)準(zhǔn)裝置和流量處的液體溫度，℃；κ為檢定用液體在檢定狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；（ps）ij、（pm）ij分別第i檢定點第j次檢定時標(biāo)準(zhǔn)裝置和流量處的液體表壓力，Pa；n為每點檢定次數(shù)；（Ki）max為流量計在流量檢定點得到的Ki中的最大值；（Ki）min為流量計在流量檢定點得到的Ki中的最小值。

（3）線性度。在規(guī)定條件下，渦輪流量計校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出間的百分比稱為線性度。該值越小，表明線性特性越好。計算公式如下：

式中：E為流量計的線性度。

2 檢測設(shè)備及條件

（1）大氣壓：101818Pa。

（2）介質(zhì)：航空潤滑油。

（3）檢定裝置：航空潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

（4）被檢表：型號為LWGY-15A，編號為0906280，生產(chǎn)商為上海自儀九儀表有限公司。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述檢測設(shè)備及條件，按照J(rèn)JG1037—2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》，在四種不同黏度下各檢定5個點，每點檢定3次，得到的數(shù)據(jù)如表1～表4所示，數(shù)據(jù)表中的頻率、流量、溫度、系數(shù)均為每點檢定3次各自的平均值。由表1得到儀表線性度為8.9%，儀表系數(shù)為528.61L-1；由表2得到儀表線性度為6.3%，儀表系數(shù)為553.89L-1；由表3得到儀表線性度為2.6%，儀表系數(shù)為596.18L-1；由表4得到儀表線性度為2.2%，儀表系數(shù)為622.44L-1。

表1 黏度為93.24cSt時的數(shù)據(jù)

表2 黏度為52.14cSt時的數(shù)據(jù)

表3 黏度為16.28cSt時的數(shù)據(jù)

表4 黏度為7.16cSt時的數(shù)據(jù)

由于流體具有黏性，所以滑油在通過流量計時產(chǎn)生黏滯阻力矩。從表1～表4可看出，滑油黏度從93.24cSt→52.14cSt→16.28cSt→7.16cSt變化時，渦輪流量計的系數(shù)（528.61L-1→553.89L-1→596.18L-1→622.44L-1）、線性度（8.9%→6.3%→2.6%→2.2%）都在逐步發(fā)生明顯的變化。當(dāng)流量計的黏度最大為93.24cSt時（數(shù)據(jù)表1），整個流量計的線性度只有8.9%，根本無法使用，要想達(dá)到使用要求只有縮小量程。通過觀察、計算發(fā)現(xiàn)，只有流量為2.8990～4.1497m3/h時，線性度為（575.86-569.50）/（575.86+569.50）×100%=0.56%，才滿足JJG1037—2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》允許的最大誤差1.0%，也就是說只有在這兩點范圍內(nèi)使用，這個流量計才算是合格的。當(dāng)黏度變小為7.16cSt時，線性度范圍則變寬，流量為1.0196～4.0465m3/h時，線性度為（631.96-620.88）/（631.96+620.88）×100%=0.88%，完全符合規(guī)程最大允許誤差。

另外，從表1～表4均可看出，流量計黏度的變化對流量最小點影響也比較大，在四種不同黏度下，系數(shù)都在流量最后一點時發(fā)生了明顯的下降；而且黏度最大為93.24cSt時，系數(shù)從524.93L-1變?yōu)?81.35L-1，系數(shù)下降了43.58L-1；黏度為7.16cSt時，系數(shù)從620.88L-1變?yōu)?08.97L-1，系數(shù)僅下降了11.91L-1。從中可看出，隨著黏度的變小，對流量計下限的影響也越來越小。黏度變化對渦輪流量計特性曲線的影響如圖2所示。圖2中特性曲線從下至上依次對應(yīng)表1、表2、表3和表4，儀表系數(shù)隨著黏度的升高而下降，用于較高黏度時，儀表系數(shù)與流量之間不再保持線性關(guān)系，因此，渦輪流量計測量高黏度時，必須根據(jù)黏度和流量進(jìn)行修正。圖2中特性曲線的擬合公式為：

圖2 黏度變化對渦輪流量計特性曲線的影響

用于測量液體的渦輪流量計，生產(chǎn)廠所給的儀表系數(shù)K通常是用常溫水標(biāo)定的，黏度只有1cSt，為了保證測量的準(zhǔn)確度，必須注意被測流體黏度對流量計特性的影響。實驗表明，當(dāng)液體黏度大于15×10-6m2/s時，即使同一流量計同一介質(zhì)，測量誤差也會明顯增大，所以必須盡量在接近的工作條件下重新標(biāo)定，從而減小誤差。

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