暴冰 范珍星 鄒君臣 張家銘 / 河南省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

氣體腰輪流量計(jì)（氣體羅茨流量計(jì)）作為容積式計(jì)量?jī)x表已有一百多年的歷史，以其準(zhǔn)確度高、量程范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、安裝維修方便、使用可靠及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于天然氣、煤層氣、惰性氣體、空氣等氣體的流量計(jì)量，是國(guó)內(nèi)外城市燃?xì)?、油田化工、科學(xué)研究等部門理想的流量計(jì)量裝置[1]。其工作原理主要是流量計(jì)內(nèi)部設(shè)計(jì)有構(gòu)成一定容積的空間，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周排出的氣體體積是一定的，當(dāng)被測(cè)氣體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，氣體的動(dòng)壓力使進(jìn)出口之間形成一個(gè)壓差從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的測(cè)量得到該空間的體積。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，可以得到瞬時(shí)流量，這就是氣體腰輪流量計(jì)的測(cè)量原理。因此氣體腰輪流量計(jì)的計(jì)量主要靠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活與否將直接影響到流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。在實(shí)際使用中，通常要求氣體腰輪流量計(jì)垂直安裝（又稱上進(jìn)下出），在特殊情況下可采取水平安裝（又稱左進(jìn)右出），從而保證其轉(zhuǎn)子水平于地面，以減小由于轉(zhuǎn)子自重引入的誤差[3]。然而某些場(chǎng)合由于安裝不當(dāng)或者現(xiàn)場(chǎng)安裝條件不合適，難以滿足轉(zhuǎn)子水平于地面的安裝要求。本文基于氣體腰輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子水平于地面安裝和垂直于地面安裝兩種安裝方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究得出轉(zhuǎn)子自重對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響量大小。

1 動(dòng)態(tài)法檢定原理及典型實(shí)驗(yàn)裝置

基本實(shí)驗(yàn)方法就是用管道將被測(cè)流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)器兩者串聯(lián)起來(lái)，在流過(guò)一定量的氣體時(shí)，比較兩者的指示量而得到其示值誤差。氣體在規(guī)定流量下流經(jīng)被測(cè)流量計(jì)，同步累計(jì)流過(guò)流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)器的氣體體積、時(shí)間、脈沖等初態(tài)值；當(dāng)流過(guò)流量計(jì)的氣體達(dá)到給定氣量時(shí)，同時(shí)停止累計(jì)；比較兩者的指示量，以及檢測(cè)期間記錄的溫度、壓力、濕度等參數(shù)，按規(guī)定的計(jì)算公式計(jì)算得到流量計(jì)的示值誤差。動(dòng)態(tài)法檢定為容積式流量計(jì)的首選檢定方法，典型的試驗(yàn)裝置就是音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[4]。

2 儀表系數(shù)測(cè)量[5]

對(duì)輸出頻率信號(hào)的流量計(jì)，每一流量點(diǎn)單次檢定的流量計(jì)系數(shù)計(jì)算公式為

式中：Kij——第i流量點(diǎn)，第j次檢定的系數(shù)，1/m3或1/L；

Nij——第i流量點(diǎn)，第j次檢定的脈沖數(shù)；

Qij——第i流量點(diǎn)，第j次檢定的值

檢定流量點(diǎn)的平均系數(shù)Ki按式（2）計(jì)算：

式中：Ki——流量點(diǎn)的平均系數(shù)，1/m3或1/L；

n——測(cè)量次數(shù)

流量計(jì)的平均系數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中：K——平均流量計(jì)系數(shù)，1/m3或1/L；

（Ki）max——各流量點(diǎn)的平均系數(shù)Ki中最大值，1/m3或1/L；

（Ki）min——各流量點(diǎn)的平均系數(shù)Ki中最小值，1/m3或1/L

3 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

目前常用的氣體腰輪流量計(jì)口徑范圍是DN50～DN150，為保證實(shí)驗(yàn)的普遍性，分別選取DN50和DN150兩種口徑的氣體腰輪流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中DN50口徑選取了兩臺(tái)不同生產(chǎn)廠家的流量計(jì)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，使用空氣作氣源，氣體先后經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體腰輪流量計(jì)及噴嘴，狀態(tài)沒(méi)有經(jīng)過(guò)劇變（壓縮），大氣濕度可以測(cè)知，通過(guò)軟件進(jìn)行修正[6-8]。實(shí)驗(yàn)前首先進(jìn)行密封性檢查，確保流量計(jì)及檢定系統(tǒng)中的測(cè)溫、測(cè)壓儀器以及各連接管路在檢定壓力具有良好的氣密性[9-10]，嚴(yán)格按照J(rèn)JG 633-2005《氣體容積式流量計(jì)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量流量點(diǎn)為Qmax（最大流量）、0.4Qmax、0.2Qmax和Qmin（最小流量），每一流量點(diǎn)測(cè)量三次。

安裝方式一，由于轉(zhuǎn)子水平于地面，可替代常用的氣體腰輪流量計(jì)使用現(xiàn)場(chǎng)左進(jìn)右出的安裝方式（由于上進(jìn)下出的安裝方式與左進(jìn)右出相同，均為轉(zhuǎn)子水平與地面，不再做實(shí)驗(yàn)）。

安裝方式二，是轉(zhuǎn)子垂直于地面，可替代實(shí)際使用中的一些安裝不當(dāng)?shù)膱?chǎng)合或者難以滿足轉(zhuǎn)子水平安裝要求的場(chǎng)合。因此，由于氣體腰輪流量計(jì)安裝不當(dāng)或者轉(zhuǎn)子不能水平安裝等原因造成的計(jì)量誤差，可由實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子垂直安裝得到儀表系數(shù)相對(duì)于水平安裝得到儀表系數(shù)的變化量δ來(lái)模擬，按式（4）計(jì)算

式中：K垂直——轉(zhuǎn)子垂直于地面安裝時(shí)每一流量點(diǎn)單次檢定的系數(shù)，1/m3或1/L；

K水平——轉(zhuǎn)子水平于地面安裝時(shí)每一流量點(diǎn)單次檢定的系數(shù)，1/m3或1/L

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，如表1、圖1-3所示。

表1 三臺(tái)腰輪流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖1 DN50腰輪流量計(jì)1轉(zhuǎn)子安裝方式變化對(duì)比

圖2 DN50腰輪流量計(jì)2轉(zhuǎn)子安裝方式變化對(duì)比

圖3 DN150腰輪流量計(jì)3轉(zhuǎn)子安裝方式變化對(duì)比

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上采用兩種安裝方式對(duì)被檢氣體腰輪流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)DN50腰輪流量計(jì)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出兩種安裝方式造成的影響量不超過(guò)0.26%，根據(jù)DN50腰輪流量計(jì)2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出兩種安裝方式造成的影響量不超過(guò)0.24%，根據(jù)DN150腰輪流量計(jì)3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出兩種安裝方式造成的影響量不超過(guò)0.28%。由于轉(zhuǎn)子垂直于地面安裝造成的自重大于轉(zhuǎn)子水平于地面安裝，因此轉(zhuǎn)子垂直于地面安裝測(cè)量得到的儀表系數(shù)普遍偏小。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明：氣體腰輪流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝中采用轉(zhuǎn)子水平于地面安裝方式和垂直于地面的安裝方式，造成的測(cè)量誤差不超過(guò)0.30%，同時(shí)轉(zhuǎn)子垂直于地面安裝測(cè)量得到的儀表系數(shù)普遍偏小，即由于安裝不當(dāng)或者安裝現(xiàn)場(chǎng)條件不適合等原因造成的計(jì)量誤差不超過(guò)-0.30%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：氣體腰輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子自重對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響量不超過(guò)0.30%。