氣體腰輪流量計轉子自重對測量結果的影響

暴冰 范珍星 鄒君臣 張家銘 / 河南省計量科學研究院

0 引言

氣體腰輪流量計（氣體羅茨流量計）作為容積式計量儀表已有一百多年的歷史，以其準確度高、量程范圍寬、體積小、質量輕、安裝維修方便、使用可靠及使用壽命長等特點，廣泛應用于天然氣、煤層氣、惰性氣體、空氣等氣體的流量計量，是國內外城市燃氣、油田化工、科學研究等部門理想的流量計量裝置[1]。其工作原理主要是流量計內部設計有構成一定容積的空間，轉子每轉動一周排出的氣體體積是一定的，當被測氣體流經流量計時，氣體的動壓力使進出口之間形成一個壓差從而推動轉子轉動[2]。通過轉子轉動次數的測量得到該空間的體積。根據單位時間內測得的轉子的轉動次數，可以得到瞬時流量，這就是氣體腰輪流量計的測量原理。因此氣體腰輪流量計的計量主要靠轉子的轉動來實現，轉子的轉動靈活與否將直接影響到流量計的計量準確度。在實際使用中，通常要求氣體腰輪流量計垂直安裝（又稱上進下出），在特殊情況下可采取水平安裝（又稱左進右出），從而保證其轉子水平于地面，以減小由于轉子自重引入的誤差[3]。然而某些場合由于安裝不當或者現場安裝條件不合適，難以滿足轉子水平于地面的安裝要求。本文基于氣體腰輪流量計的轉子水平于地面安裝和垂直于地面安裝兩種安裝方式進行實驗，研究得出轉子自重對于測量結果的影響量大小。

1 動態法檢定原理及典型實驗裝置

基本實驗方法就是用管道將被測流量計和標準器兩者串聯起來，在流過一定量的氣體時，比較兩者的指示量而得到其示值誤差。氣體在規定流量下流經被測流量計，同步累計流過流量計和標準器的氣體體積、時間、脈沖等初態值；當流過流量計的氣體達到給定氣量時，同時停止累計；比較兩者的指示量，以及檢測期間記錄的溫度、壓力、濕度等參數，按規定的計算公式計算得到流量計的示值誤差。動態法檢定為容積式流量計的首選檢定方法，典型的試驗裝置就是音速噴嘴氣體流量標準裝置[4]。

2 儀表系數測量[5]

對輸出頻率信號的流量計，每一流量點單次檢定的流量計系數計算公式為

式中：Kij——第i流量點，第j次檢定的系數，1/m3或1/L；

Nij——第i流量點，第j次檢定的脈沖數；

Qij——第i流量點，第j次檢定的值

檢定流量點的平均系數Ki按式（2）計算：

式中：Ki——流量點的平均系數，1/m3或1/L；

n——測量次數

流量計的平均系數按式（3）計算：

式中：K——平均流量計系數，1/m3或1/L；

（Ki）max——各流量點的平均系數Ki中最大值，1/m3或1/L；

（Ki）min——各流量點的平均系數Ki中最小值，1/m3或1/L

3 實驗方法和過程

目前常用的氣體腰輪流量計口徑范圍是DN50～DN150，為保證實驗的普遍性，分別選取DN50和DN150兩種口徑的氣體腰輪流量計作為實驗對象，其中DN50口徑選取了兩臺不同生產廠家的流量計。本實驗平臺為負壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置，使用空氣作氣源，氣體先后經過被測氣體腰輪流量計及噴嘴，狀態沒有經過劇變（壓縮），大氣濕度可以測知，通過軟件進行修正[6-8]。實驗前首先進行密封性檢查，確保流量計及檢定系統中的測溫、測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]，嚴格按照JJG 633-2005《氣體容積式流量計》進行實驗，實驗測量流量點為Qmax（最大流量）、0.4Qmax、0.2Qmax和Qmin（最小流量），每一流量點測量三次。

安裝方式一，由于轉子水平于地面，可替代常用的氣體腰輪流量計使用現場左進右出的安裝方式（由于上進下出的安裝方式與左進右出相同，均為轉子水平與地面，不再做實驗）。

安裝方式二，是轉子垂直于地面，可替代實際使用中的一些安裝不當的場合或者難以滿足轉子水平安裝要求的場合。因此，由于氣體腰輪流量計安裝不當或者轉子不能水平安裝等原因造成的計量誤差，可由實驗中轉子垂直安裝得到儀表系數相對于水平安裝得到儀表系數的變化量δ來模擬，按式（4）計算

式中：K垂直——轉子垂直于地面安裝時每一流量點單次檢定的系數，1/m3或1/L；

K水平——轉子水平于地面安裝時每一流量點單次檢定的系數，1/m3或1/L

4 實驗結果

整理實驗數據匯總，如表1、圖1-3所示。

表1 三臺腰輪流量計測量數據對比

圖1 DN50腰輪流量計1轉子安裝方式變化對比

圖2 DN50腰輪流量計2轉子安裝方式變化對比

圖3 DN150腰輪流量計3轉子安裝方式變化對比

綜合實驗數據可得，在音速噴嘴氣體流量標準裝置上采用兩種安裝方式對被檢氣體腰輪流量計進行實驗，根據DN50腰輪流量計1的實驗數據得出兩種安裝方式造成的影響量不超過0.26%，根據DN50腰輪流量計2的實驗數據得出兩種安裝方式造成的影響量不超過0.24%，根據DN150腰輪流量計3的實驗數據得出兩種安裝方式造成的影響量不超過0.28%。由于轉子垂直于地面安裝造成的自重大于轉子水平于地面安裝，因此轉子垂直于地面安裝測量得到的儀表系數普遍偏小。

5 結語

實驗表明：氣體腰輪流量計現場安裝中采用轉子水平于地面安裝方式和垂直于地面的安裝方式，造成的測量誤差不超過0.30%，同時轉子垂直于地面安裝測量得到的儀表系數普遍偏小，即由于安裝不當或者安裝現場條件不適合等原因造成的計量誤差不超過-0.30%。

實驗結論：氣體腰輪流量計轉子自重對測量結果的影響量不超過0.30%。