[導(dǎo)讀] 本文通過對氣體渦輪流量計的工作原理、測量原理、計算公式、檢定、標定、優(yōu)點和注意事項的闡述，并從實際測量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對氣體渦輪流量計測量的相關(guān)影響，供同行參考。
如何精確測量小管徑氫氣一直是困擾我公司的一個問題。由于氫氣的密度很小，且受溫度、壓力變化的影響較大，我公司經(jīng)現(xiàn)場檢驗，最終選定帶溫度、壓力補償功能的智能氣體渦輪流量計，以達到準確測量氣體介質(zhì)的目的。
本文通過對氣體渦輪流量計的工作原理、測量原理、計算公式、檢定、標定、優(yōu)點和注意事項的闡述，并從實際測量氫氣的過程中，分析了氫氣壓縮因子對氣體渦輪流量計測量的相關(guān)影響，供同行參考。
渦輪流量計是一種速度式流量儀表，當被測流體流經(jīng)渦輪流量計時，流體的動能作用于渦輪的螺旋葉片上，產(chǎn)生驅(qū)動力矩Td，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩必須克服同樣作用于渦輪上流過葉片的流體黏性阻力矩Ti、軸承阻力矩Tb、輪殼端部摩擦阻力矩Tw、頂隙阻力矩Tt和作用于輪殼的流體黏性摩擦阻力矩Th。由此可建立渦輪的運動微分方程：
式中：J———渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω——渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度；τ——時間。
當流量恒定時，即渦輪處于勻速旋轉(zhuǎn)運動時，以上驅(qū)動力矩與阻力力矩相等，則有
有力矩均與來流速度呈一定的函數(shù)關(guān)系，當來流速度變化時，其平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。根據(jù)運動學(xué)的相關(guān)知識可以看出，渦輪的流量與轉(zhuǎn)速并不是簡單的線性關(guān)系，其力矩與來流速度的函數(shù)關(guān)系與渦輪的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，這就是渦輪流量計的基本數(shù)學(xué)模型。
二、TBQZ系列智能氣體渦輪流量計的測量原理
我公司采用的是浙江某儀表公司生產(chǎn)的TBQZ系列智能氣體渦輪流量計，它是集流量、溫度、壓力檢測功能于一體，并能進行溫度、壓力、壓縮因子自動補償?shù)男乱淮髁坑?。其工作原理如下：當氣流進入流量計時，首先經(jīng)過獨立機芯的前導(dǎo)流體并加速，流體的動能作用于渦輪的葉片上，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始。當諸力矩達到平衡時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，渦輪轉(zhuǎn)動角速度與流量呈線性關(guān)系，通過旋轉(zhuǎn)的發(fā)信盤上的磁體周期性地改變傳感器磁阻，從而在傳感器兩端感應(yīng)出與流體體積流量成正比的脈沖信號，該信號經(jīng)前置放大器放大、整形后和壓力傳感器、溫度傳感器檢測到的壓力、溫度信號同時輸出給流量積算儀進行處理，直接顯示標準體積流量和標準體積總量。
三、氣體渦輪流量計的計算公式
由于是對氣體的測量，與溫度、壓力有關(guān)系，并將不同工況條件下的氣體體積流量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)下的（P=101.325kPa，T=293.15K）的體積流量，其氣態(tài)方程為
式中：Qn——標準狀態(tài)下的體積流量，m3/h；Qg——未經(jīng)修正的體積流量；Pg——流量計壓力檢測點處的表壓，kPa；Pa——當?shù)卮髿鈮海琸Pa；Tg——介質(zhì)的絕對溫度（273.15+t），K；t——被測介質(zhì)攝氏溫度，℃；Zn——標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Zg——工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；Tn——標準狀態(tài)下的絕對溫度，293.15K；Pn——標準大氣壓，101.325kPa。
我公司采用的儀表以20℃、1個標準大氣壓（101.325kPa）作為統(tǒng)一基準。儀表顯示的壓力就是絕對壓力，即Pg+Pa，被測氣體的溫度也可直接測出，通過公式將工況轉(zhuǎn)換為標況，儀表上可以直接顯示出總量、標況、工況、工況的溫度、絕對壓力，使用非常方便。
四、壓縮因子對氫氣的影響分析
大家都知道天然氣必須經(jīng)過壓縮因子修正，由于檢測的氣體為氫氣，根據(jù)廠家提供的氫氣在不同的溫度對應(yīng)的不同的壓力下所測出的氫氣壓縮系數(shù)修正因子，如表1所示。
表1 氫氣壓縮系數(shù)修正因子
由表1可以看出，壓縮因子均在0.99~1.0006范圍內(nèi)，0.6MPa以內(nèi)若不修正，誤差僅小于0.3%。
五、智能氣體渦輪流量計的標定和檢定
對智能氣體渦輪流量計的標定和檢定與普通氣體渦輪流量計的標定、檢定一樣，目的在于實現(xiàn)對流量計儀表換算系數(shù)、準確度、重復(fù)性、瞬時流量等技術(shù)指標的測定和實時程序?qū)懭耄约皩硕〝?shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計的智能化，有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設(shè)定，標定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計算功能，能夠很好地實現(xiàn)對流量測量的修正和補償目的，提高了計量準確度。由于產(chǎn)品出廠的時候都經(jīng)過標定，即將流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器分別進行檢定，因此，用戶使用時一般不需要更改儀表內(nèi)置的參數(shù)。
六、智能氣體渦輪流量計的優(yōu)點
結(jié)構(gòu)簡單，加工零部件少，重量輕，基本不用維護，穩(wěn)定性好、準確度高、重復(fù)性好，量程比寬（1：20），集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體，可對被測氣體溫度、壓力自動跟蹤修正，直接計量氣體的標準體積流量和總量，配有整體性能優(yōu)良的整流器，對前后直管段要求很低（前>2DN，后>1DN）。
七、智能氣體渦輪流量計的注意事項
根據(jù)氣體渦輪流量計的工作特性，要保證渦輪流量計的準確計量，正確的選型、安裝、使用是關(guān)鍵。被測氣體必須干凈，安裝管道一定要清掃。此前，我們以為一臺渦輪流量計損壞了，返回廠家修理后才知是管道內(nèi)的微小雜質(zhì)將渦輪卡住了，所以在儀表之前安裝了一臺配套設(shè)備——氣體過濾器，以利于渦輪流量計的正常使用。
八、結(jié)束語
通過3個月的運行觀察，再結(jié)合現(xiàn)場的工藝條件，該渦輪流量計測得的流量跟工藝用量基本一致，滿足我們的計量要求。