渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)粘度的適應(yīng)性比
摘 要: 本文對(duì)油品流量測(cè)量中使用***為廣泛的兩種流量計(jì)———渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)對(duì)粘度的適應(yīng)性進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn).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(rùn)滑油(常溫粘度 60 .0 mm2/s)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)兩種流量計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn).比較數(shù)據(jù)得出齒輪流量計(jì)對(duì)粘度的適應(yīng)性更強(qiáng), 渦輪流量計(jì)在燃油介質(zhì)與潤(rùn)滑油介質(zhì)(同量點(diǎn))中的儀表系數(shù)差異高達(dá) 16 %, 因此渦輪流量計(jì)進(jìn)行高粘度油品流量測(cè)量需采用與實(shí)際介質(zhì)相近粘度的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn), 確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確.
0、引言：
渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)是油品流量測(cè)量中使用***為廣泛的兩種流量計(jì)[ 1–2] , 尤其是渦輪流量計(jì)憑借其價(jià)格低廉、 精度高而得到廣泛認(rèn)可, 使用者在任何場(chǎng)合都喜歡使用渦輪流量計(jì).
本文從介質(zhì)粘度這量計(jì)選型使用的重要依據(jù)出發(fā) , 理論分析與實(shí)驗(yàn)比較渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性, 可以更好地選擇使用這兩種流量計(jì).
1、介質(zhì)粘度對(duì)渦輪流量計(jì)系數(shù)影響理論的分析：
圖 1 所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[ 3] .由圖 1 可見, 當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí), 在流體作用下 , 葉輪受力旋轉(zhuǎn), 其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比, 葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值.檢測(cè)線圈中的磁通量隨之發(fā)生周期性變化 , 產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì), 即電脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大后, 送至顯示儀表顯示 .渦輪流量計(jì)常用的實(shí)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(jì)輸出的頻 | |||||||||||
| 率, 單位:Hz ;k 為儀表系數(shù) , 單位 P/L(每升發(fā)出多少個(gè) | |||||||||||
| 脈沖). | |||||||||||
| 通常在使用渦輪流量計(jì)時(shí), 通過(guò)測(cè)量流量計(jì)的輸出 | |||||||||||
| 頻率除以儀表系數(shù)(實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)獲得)得到體積流量. | |||||||||||
| 國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多渦輪流量計(jì)理論流量方程 , 根 | |||||||||||
| 據(jù)這些模型可知影響儀表系數(shù)的因素較多 , 并可對(duì)介質(zhì) | |||||||||||
| 粘度對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)的影響進(jìn)行定性預(yù)測(cè) , 儀表系數(shù) 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(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖 2 齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2、介質(zhì)粘度對(duì)齒輪流量計(jì)系數(shù)影響的理論分析：
齒輪流量計(jì)屬于容積式流量計(jì) .齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖 2 .其工作原理為:流體在上游的壓力作用下進(jìn)入流量計(jì) , 推動(dòng)一對(duì)嚙合的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) .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(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中, 輪齒把流動(dòng)的液體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)的體積單元, 每個(gè)體積單元等于兩個(gè)輪齒的容積.齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距的角度, 排出等于兩個(gè)輪齒容積的流體體積.在殼體上蓋對(duì)應(yīng)測(cè)量齒輪分度圓處安裝兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)速傳感器, 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) , 輪齒每次經(jīng)過(guò)電磁轉(zhuǎn)速傳感器, 流量計(jì)發(fā)出一個(gè)電脈沖信號(hào) .根據(jù)流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)可以測(cè)量流體的流量[ 6] .
齒輪流量計(jì)儀表系數(shù)的影響因素比渦輪流量計(jì)的要少 , 主要是泄漏量的影響.在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)的常數(shù);υ為介質(zhì)粘度 .
由式 (3)以及儀表系數(shù)的定義可知 υ越大泄漏量越小, 泄漏量越小對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)越大 , 線性區(qū)域也越寬.
3、實(shí)驗(yàn)裝置：
液體流量裝置一次標(biāo)準(zhǔn)基本采用質(zhì)量法、容積法、 體積管法等進(jìn)行流量的測(cè)量.從國(guó)際油品流量校準(zhǔn)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)看 , 對(duì)測(cè)量油品或化學(xué)品等介質(zhì)的流量計(jì)的校準(zhǔn), 多采用體積管式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 .本文所涉及到的實(shí)驗(yàn)均在作者單位 3 套主動(dòng)體積管式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成, 裝置原理一樣 , 見圖 3 , 區(qū)別在于介質(zhì)粘度與流量范圍 .
圖 3 主動(dòng)體積管裝置原理圖
工作原理:校準(zhǔn)前開啟閥 1 , 2 , 關(guān)閉閥 3 , 由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)活塞在主動(dòng)體積管中運(yùn)動(dòng) , 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源(標(biāo)準(zhǔn)流量的大小由上位機(jī)軟件通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制), 液體通過(guò)閥 1 流經(jīng)被校流量計(jì), ***終流入油箱.光柵用于測(cè)量活塞行程 , 活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時(shí)間就得到體積流量, 通過(guò)比較被校流量計(jì)的示值與體積管測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)體積流量值實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的校驗(yàn).
裝置基本指標(biāo)如下:
介質(zhì):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(duì)擴(kuò)展不確定度 :U =0 .05 %, k =2 ;介質(zhì) :15 號(hào)液壓油(常溫粘度 20 .0 mm2/s);流量范圍:0 .05 L/min ～ 400 L/min ;相對(duì)擴(kuò)展不確定度:U =0 .05 %, k =2 ;介質(zhì) :4 050 潤(rùn)滑油(常溫粘度 60 .0m m2/s);流量范圍:1 L/min ～166 .7 L/min ;相對(duì)擴(kuò)展不確定度:U =0 .08 %, k =2 .
4、采用不同粘度介質(zhì)對(duì)兩種流量計(jì)校準(zhǔn)：
本文選取了常用國(guó)產(chǎn)渦輪 LWGY-15 與德國(guó) KRACH T 公司 VC5 齒輪流量計(jì)為樣本 , 分別在燃油、液壓油、 潤(rùn)滑油流量裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 、 表 2 所示 .
| 表 1 | 渦輪流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù) | ||||||||||
| Tab.1 | Turbin e flowm eter tes ting d ata | ||||||||||
| 流量點(diǎn) kL/ h | 平均儀表 | ||||||||||
| 介質(zhì) | 粘度/(mm2·s -1) 0 | .6 | 2 | .4 | 6 | 重復(fù)性% | 線性% | ||||
| 系數(shù)/ P·L –1 | |||||||||||
| 對(duì)應(yīng)儀表系數(shù)/ 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(rùn)滑油 | 76 .1 | 697 | .809 | 781 | .548 | 809 .143 | 753 .476 | 0 .05 | 7 | .388 026 | |
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | -7 .986 18 | -1 | .865 41 | -1 .138 73 | -4 .556 4 | 燃油與液壓油 | |||||
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | -15 .615 6 | -5 | .740 61 | -2 .497 97 | -9 .045 19 | 燃油與潤(rùn)滑油 | |||||
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | -8 .291 63 | -3 | .948 85 | -1 .374 9 | -4 .703 09 | 液壓油與潤(rùn)滑油 | |||||
| 表 2 | 齒輪流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù) | |||||||||||
| Tab.2 Gear h owmeter testing data | ||||||||||||
| 流量點(diǎn) L/ min | 平均儀表 | 重復(fù)性% | 線性% | |||||||||
| 介質(zhì) | 粘度 | 2 | -1 | 1 | 50 | 100 | ||||||
| /(mm | ·s | ) | 系數(shù)/ P·L –1 | |||||||||
| 對(duì)應(yīng)儀表系數(shù)/ 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(rùn)滑油 | 33 .316 | 191 .838 | 192 .052 | 192 .086 | 191 .962 | 0 .02 | 0 .064 596 | |||||
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | -0 .104 89 | 0 .385 52 | 0 .792 393 | 0 .055 112 | 燃油與液壓油 | |||||||
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | 0 .112 84 | 0 .595 365 | 1 .125 703 | 0 .278 541 | 燃油與潤(rùn)滑油 | |||||||
| 系數(shù)相對(duì)誤差% | 0 .217 844 | 0 .211 326 | 0 .339 539 | 0 .223 459 | 液壓油與潤(rùn)滑油 | |||||||
5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：
從表 1 與表 2 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:
1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式得到的趨勢(shì)相吻合 .渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)隨粘度增加而減小, 線性范圍變窄;齒輪流量計(jì)的儀表系數(shù)隨粘度增加而增加, 線性范圍變寬.
2)粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響很大 .LWGY 系列流量計(jì)用于燃油介質(zhì)時(shí)量程比為 10 :1 時(shí)線性為 0 .2%, 但運(yùn)用于潤(rùn)滑油介質(zhì)時(shí)線性達(dá) 7 %, 且在同樣流量下系數(shù)變化達(dá) 16 %.
3)粘度對(duì)齒輪流量計(jì)的影響相對(duì)較小 .VC5 齒輪流量計(jì)用于燃油介質(zhì)量程比為 100 :1 時(shí)線性為 0 .4%, 運(yùn)用于潤(rùn)滑油介質(zhì)時(shí)線性為 0 .1%, 在同樣流量下系數(shù)變化***大為 0 .6%.
流量計(jì)采用的建議:
1)高粘度油品流量測(cè)量時(shí)盡量采用齒輪流量計(jì)等容積式流量計(jì) , 低粘度油品流量測(cè)量時(shí)可采用渦輪流量計(jì) .
2)如果采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行高粘度油品流量測(cè)量, 需采用與實(shí)際介質(zhì)相近粘度的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn) , 確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確.