对气体涡轮流量计仪表系数稳定性的分析

　　1 前言

　　气体涡轮流量计是一种速度式流量计, 在国际上已有半个世纪的工业应用历史, 我国从 60 年代中期开始生产, 已形成全系列化仪表。由于其较高的精确度、良好的重复性和较宽的范围度以及维护方便等原因, 是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。我们在对气体涡轮流量计进行研制和开发过程中发现, 各型号气体涡轮流量计仪表系数普遍存在不稳定的问题。作为计量仪表, 仪表系数稳定是保证不同条件下计量精度的必要保证, 为此, 本文分析了气体涡轮流量计仪表系数不稳定的原因并进行了有效改进。

　　2 流量计结构和工作原理

　　气体涡轮流量计(结构示意如图 1 所示) 是将涡轮置于被测流体中, 当气体流经流量计时, 在整流器的作用下被整流和加速, 由于涡轮的叶片与流过气体之间存在一定夹角, 气体流动对涡轮产生转动力矩, 使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而旋转[1]。试验证明, 在一定流量范围内, 涡轮的角速度通过涡轮的流量成正比。涡轮的旋转带动脉冲发生器旋转, 脉冲接收装置接收脉冲发生器传递的脉冲,

　　通过智能仪表进行换算得到实际流量。

　　3 仪表系数的影响因素及改进

　　仪表系数是衡量涡轮流量计准确度和量程比的一个关键系数, 系数取值的正确与否决定了信号接受、转换结果与实际流量的误差大小。要使涡轮流量计正常工作, 其仪表系数 K 必须为一稳定的常数值, 即 K 应不随流量 的变化而变化。但实际上涡轮流量计的工作特性并非如此, 引入仪表系数计算公式[2]:

　　f- - 涡轮流量计所发出的脉冲总数

　　qv- - 通过流量计的气体总量

　　Z- - 涡轮的叶片个数

　　- - 叶轮叶片与轴线的夹角

　　r- - 叶轮叶片的平均半径

　　A- - 叶轮的流通面积

　　Trm- - 涡轮轴与轴承之间摩擦产生的机械摩擦阻力矩

　　Trf- - 气体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩

　　p- - 通过涡轮流量计流体的密度

　　可以看出, 涡轮流量计的仪表系数与涡轮的叶片数、叶片与轴线的夹角、叶片平均半径、叶轮流通面积、涡轮轴的机械摩擦阻力矩、气体对涡轮产生的流动阻力矩以及被测气体密度等众多因素有直接的关系。其中气体对叶轮产生的流动阻力矩很小可以忽略。其余因素的影响我们分别从以下两方面进行分析:

　　(1)对某一涡轮流量计产品, 其几何结构如: 叶片数、叶片与轴线的夹角、叶片平均半径、叶轮流通面积理论上应该是固定不变的, 但是由于客观原因,如叶片加工精度影响或外界温度变化等或多或少会使同一批次产品几何参数不同。目前常用的流量计叶片材质多为聚甲醛塑料, 加工方式为注塑成型。聚甲醛的线膨胀系数为 11×10^-5/℃, 尺寸受外界温度影响较大, 叶片角度、叶轮流通面积很容易产生变化,导致流量计仪表系数不稳定。