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气体涡轮流量计仪表系数的计算方法


文章日期:2018-01-20|阅读数:


  气体涡轮流量计是一种速度式流量计 ,是近些年来迅速发展起来的新型仪表,这种流量计具有精度高、压力损失小、量程比大等优点, 可测量多种气体或液体的瞬时流量和流体总量, 并可输出 0— 10 mA DC 或 4— 20 mA DC 信号 ,与调节仪表配套控制流量。

气体涡轮流量计仪表系数的计算方法

1 、气体涡轮流量计的组成:
图 1  涡轮流量计组成方框图


图 1  涡轮流量计组成方框图
  如图 1所示, 气体涡轮流量计主要由涡轮流量变送器和指示积算仪组成[ 1] 。 涡轮流量变送器把流量信号转换成电信号, 由指示积算仪显示被测介质的体积流量和流体总量。
 
2 、气体涡轮流量计的工作原理:
  流体流经传感器壳体, 由于叶轮的叶片与流向有一定的角度 ,流体的冲力使叶片具有转动力矩 ,克服摩擦力矩和流体阻力矩之后叶片旋转 , 在力矩平衡后转速稳定 ,在一定条件下, 转速与流速成正比 ,由于叶片具有导磁性 ,它处于信号检测器 (由磁钢和线圈组成)的磁场中, 旋转的叶片切割磁力线, 周期性地改变线圈地磁通量 ,从而使线圈两端感应出电脉冲信号,此信号经过放大器的放大整形, 形成有一定幅度的连续的矩形波 ,可远传至显示仪表 ,显示出流体的体积流量或总量。
 
3、 气体涡轮流量计仪表系数的理论表达式:
  作用在涡轮上的力矩可分为以下几个 :流体通过涡轮时对叶片产生的切向推动力矩 M 1 ;流体沿涡轮表面流动时产生的粘滞摩擦力矩 M 2 ;轴承的摩擦力矩M3 ;磁电转换器对涡轮产生的电磁反作用阻力矩 M4 。
M 3 =a4 ω2 /3 (4)
M 4 =a5 ω3 (5)
分别将式(2)、(3)、(4)、(5)带入式 (1)并经整理可得:
2 ωqV  =a7 2 /3 3 (6)
qV  - a6 ω +a8 ω
式中:a6 、a7 、a8 为经整理后的综合系数。
 
通过以上的推导过程可以看出 , 涡轮的流量与转速并不是简单的线性关系。相互之间是一个比较复杂的高次表达式关系。

4、气体涡轮流量计仪表系数的计算方法:
表 1  某一涡轮流量计出厂校验数据
 
序号 流量 频率 仪表系数
qV  /(L s- 1 ) f H/ z K /L- 1
1 28. 06 1 766 62. 88
2 19. 62 1 233 62. 90
3 11. 42 724 63. 41
4 6. 82 437 64. 02
5 5. 52 352 63. 81
平均仪表系数       63. 03
  由式 (6)可以看出, 涡轮的流量与转速的关系比 一个多项式近似代替比较复杂的解析表达式。 根据傅
较复杂。为了简化应用 ,通常省略影响比较小的等式 立叶定律,在提高多项式次数的情况下即可得到更高
右边部分,这样即可得出一个线性表达式 ,将角速度转 的计算精度。
换为频率后即为 qV  =f K/ 。表 1是某一涡轮流量计出 结合表 1的数据和式 (6), 对表 1 的数据分别进
厂时的校验数据 ,其流量的计算表达式为 :流量 =频 行了不同次数的多项式拟合。 多项式拟合方法有许
率 ÷ 平均仪表系数。 虽然其度已经达到了 1. 5 多 ,例如在 M TALB中、Exce ll中均可实现数据的拟合。
级 ,但在实验室条件和对精度要求比较高的场合中, 笔者为了计算方便及多方面的要求 , 使用 VB 语言编
  1. 5级并满足不了其精度要求。 为了提高计算精度, 现 写了一个多项式拟合程序, 拟合方法参考于文献 [ 4]
考虑采用多项式曲线拟合的方法, 在其量程范围内用 中曲线拟合部分。结果见表 2。
 
            表 2 不同仪表系数计算方法的比较                
                       
        采用平均仪表系数     采用一次多项式拟   采用二次多项式拟   采用三次多项式拟
序号 频率 标准流量   计算结果       合方法计算结果   合方法计算结果     合方法计算结果
  qV  (/L s- 1)                        
f H/ z 计算流量 相对误差     计算流量 相对误差   计算流量 相对误差   计算流量 相对误差
        q'/(L s -1 ) %     q'/(L s - 1) %   q'/(L s- 1) %   q'(/L s- 1 )   %
        V       V     V     V    
1 1 766 28. 06 28. 018 0. 150 28. 085 0. 089 28. 070 0. 036 28. 059 0. 004
2 1 233 19. 62 19. 562 0. 296 19. 570 0. 255 19. 588 0. 163 19. 623 0. 015
3 724 11. 42 11. 487 0. 587 11. 438 0. 158 11. 451 0. 271 11. 411 0. 079
4 437 6. 82 6. 933 1. 657 6. 853 0. 484 6. 848 0. 410 6. 840 0. 293
5 352 5. 52 5. 585 1. 178 5. 495 0. 453 5. 483 0. 670 5. 507 0. 236
  通过表 2的比较可以发现在使用一次多项式拟合的情况下,流量误差比原来平均减小了一半,在使用三次多项式拟合的情况下 ,流量误差则减小了一个数量级。精度有显著提高。

5 、结论:
  在对测量精度要求不高的情况下 , 完全可以采用一次多项式拟合方法进行仪表系数的计算。 这样, 在测量流量时 ,流量 =系数 1 +频率 ×系数 2 。
  在对测量精度要求较高的情况下 , 可以采用三次多项式拟合方法进行仪表系数的计算。 这样, 在测量流量时 ,流量 =系数 1 +频率 ×系数 2 +频率 ×系数 3 +频率 ×系数 4 。其计算量比较小, 适于工程中使用。
  在有计算机参与数据处理的情况下 ,还可以提高拟合多项式的次数来得到更的数据。 同时还应该引入压力和温度的修正。


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