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煤層氣流量計機械摩擦與流體阻力對精度的影響及提高精度方法
點擊次數：2471 發布時間：2021-01-08 07:21:22
摘要：本文在煤層氣流量計實際應用的基礎上，研究了煤層氣流量計的性能特點，分析了影響煤層氣流量計精度的各種因素，并基于該精度測量了煤層氣流量計，總結了提高數據準確性的基礎方法。
一、引言
儀器的精度一般有準確度、正確度和精密度。準確度A是檢測真實值和結果二者的相同程度，并且由A=ε±U表示，其中U是不確定性系統誤差±e和隨機不確定度ΔM綜合的不確定性。精度是測量結果的系統誤差程度。由于系統誤差E包括兩部分，確定的系統誤差和未定義的系統誤差±e，所以精度可以表示為E=±e。測量精度高，精度等級可達1級、1.5級。測量范圍寬度，測量范圍寬度一般為1:20。
二、機械摩擦與流體阻力對精度的影響
(一)煤層氣流量計的數學模型
用于渦輪機的轉矩一般分為由流過渦輪機的流體產生的驅動轉矩Tr。由渦輪機表面流動的流體引起的粘性摩擦以及渦輪機軸和軸承，齒輪和齒輪施加到渦輪機的機械摩擦力矩Trm。當流體通過渦輪機時流向渦輪機的流體阻力轉矩Trf和渦輪機中的磁電轉換器產生的電磁反沖轉矩Tre。
(二)機械摩擦阻力矩Trm對精度的影響
對于真正的氣體渦輪機流量計，渦輪機必須*先通過靜摩擦的阻礙力矩才能旋轉，克服渦輪靜摩擦扭矩所需的*小值稱為流量計的初始流量qvmin。如果流量計小于qvmin，則渦輪不會旋轉，并且不會輸出脈沖信號。當流量等于起始流量時，渦輪機啟動，但此時的角速度非常小，并且流體阻力轉矩Trf的影響可忽略不計。
(三)流體阻力矩Trf對精度的影響
當流量大于初始流量的時候，渦輪機旋轉角速度隨著流量增加而增加，并且影響流量計精度的主要原因變成了由流體產生的牽引扭矩Trf。
1.層流流動狀態時的流量計特性
在層流狀態下，流體流動阻力與流體粘度μ和渦輪機旋轉角速度ω成正比。ω與流體流量成正比。
在層流狀態下，儀器系數K與流體粘度μ的變化有關。如果粘度不變，則隨著流量qV的增加儀器系數K也將增加。
2.紊流流動狀態時的流量計特性
在湍流狀態下，流體的流動阻力與其密度ρ和速度qV成正比。此刻，不可以算出流體粘度的影響。
三、提高精度的方法
(一)減少機械阻力
*先，應該完成渦輪機的平衡，因為如果渦輪機的質量中心不在軸上，則渦輪機本身的重量會為軸承增加額外的慣性力矩，為了提高流量計流量低時的精度，需要提高加工品質，降低機械摩擦阻力。
(二)克服流體阻力的影響
*先，氣動渦輪機的表面應平滑以減少氣體和渦輪機之間的粘性摩擦。其次，根據Trf=C1μqv的特性和層流狀態Trf中的流體阻力矩，隨著qv的增加儀器系數K也增加。另外，渦輪葉片的重疊率不宜過高。否則流體阻力將會非常高，流量計的測量精度也會降低。
(三)減少漏氣對煤層氣流量計精度的影響
流向葉片的驅動扭矩Tr變小，影響流量計的精度。所以，氣動渦輪機與內壁之間的間隙通常小于0.5至1mm。重疊系數通常用于指示兩個相鄰渦輪葉片相互重疊的程度。重復的元素不應該太小。否則，泄漏增加，重疊因子通常從1－1.1中選擇。
四、壓力、溫度及壓縮系數的修正
氣體的體積與壓力、溫度和壓縮系數有關。煤層氣流量計必須通過壓力和溫度校正將在運行條件下測量的體積轉換為標準條件下的體積值。當氣體溫度較低并且壓力較高時，必須考慮壓縮因子的影響，以確保高精度的氣體流量測量。
(一)壓力、溫度修正的必要性
流量計的校準溫度設置為25°C，設壓力為0.1MPa。在氣體介質的現實操作溫度為0℃，氣壓為0.1MPa時，忽略溫度的影響會導致以下誤差:
在氣態介質溫度的實際操作中，測量值為25°C，壓力為0.105MPa，如果流量計溫度在25°C，0.1MPa壓力下校準，則會導致忽略壓力的誤差:
忽略溫度和壓力的影響，發生較大的誤差，因此有必要對溫度和壓力進行校正，壓力傳感器和溫度傳感器盡可能使用高精度產品。如果流量計的精度為1%，則溫度傳感器的精度必須高于0.2°C，壓力傳感器的精度必須高于0.2%。
(二)修正氣體壓縮系數
1.壓縮系數修正的必要性
壓縮系數是測量實際氣體接近理想氣體程度的參數。壓縮因子隨著溫度和壓力而變化，并且一般來說該功能通過比較壓力Pr和溫度Tr來表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如說，天然氣臨界溫度Tm是191.16k，臨界壓力Pm是4.64mpa。在溫度為0℃時和壓力為0.2MPa時，Pr=0.2/4.64，Tr=273/191，16;Z=0.995。忽略Z的值則誤差為0.502%。
由于流量計的相對誤差必須保持在1%或1.5%以內，如果壓力大于0.2Mpa，則必須考慮壓縮系數。
可以從一般曲線或使用狀態方程計算Z值。為了便于計算，使用二次擬合曲線的方法近似Z值。求解Z值時，選擇在研究范圍內均勻分布的6個Tr點作為比較溫度范圍內的參考點，以及Z和Pr之間的簡單函數關系我明白了。在溫度為T1的時候，對比溫度是Tr1，壓縮系數是ZT1;在溫度為T2的時候，對比溫度是Tr2，壓縮系數是ZT2;在現實中的氣體測量時，氣體成分的變化通常來說不會太大，所以Tm和Pm的值應該保持不變。
五、結束語
(1)校準小直徑、小流量渦輪流量計應使用標準鐘形裝置。校準大直徑大流量渦輪流量計應使用聲波噴嘴。標準渦輪流量計也可以用作內徑為100mm，大于100mm的渦輪流量計的標準設備，但需要每年重新驗證一次。
(2)合理設計校準系統，確保燃氣輪機流量計前后有足夠的直管段，如果由于管路限制導致直管段長度不夠，在流量計前安裝整流器。當氣體質量較差時，應安裝過濾器以避免雜質對系統的影響。當氣體含水量較大時，應安裝脫水干燥裝置。
(3)在選擇*佳設計和選擇高精度輔助設備(如壓力傳感器、溫度和計時設備)時，精度必須高于被測渦輪機表的要求精度。并將系統誤差降至*低。
(4)遵循嚴格的校準程序以符合校準所需的溫度、壓力、濕度和其他環境條件。
(5)正確處理數據并充分考慮通過標準設備、測試表和標準設備本身的錯誤時氣體狀態的差異。標準設備必須認真管理，并按照技術監督局的規定進行定期測試。
一、引言
儀器的精度一般有準確度、正確度和精密度。準確度A是檢測真實值和結果二者的相同程度，并且由A=ε±U表示，其中U是不確定性系統誤差±e和隨機不確定度ΔM綜合的不確定性。精度是測量結果的系統誤差程度。由于系統誤差E包括兩部分，確定的系統誤差和未定義的系統誤差±e，所以精度可以表示為E=±e。測量精度高，精度等級可達1級、1.5級。測量范圍寬度，測量范圍寬度一般為1:20。
二、機械摩擦與流體阻力對精度的影響
(一)煤層氣流量計的數學模型
用于渦輪機的轉矩一般分為由流過渦輪機的流體產生的驅動轉矩Tr。由渦輪機表面流動的流體引起的粘性摩擦以及渦輪機軸和軸承，齒輪和齒輪施加到渦輪機的機械摩擦力矩Trm。當流體通過渦輪機時流向渦輪機的流體阻力轉矩Trf和渦輪機中的磁電轉換器產生的電磁反沖轉矩Tre。
(二)機械摩擦阻力矩Trm對精度的影響
對于真正的氣體渦輪機流量計，渦輪機必須*先通過靜摩擦的阻礙力矩才能旋轉，克服渦輪靜摩擦扭矩所需的*小值稱為流量計的初始流量qvmin。如果流量計小于qvmin，則渦輪不會旋轉，并且不會輸出脈沖信號。當流量等于起始流量時，渦輪機啟動，但此時的角速度非常小，并且流體阻力轉矩Trf的影響可忽略不計。
(三)流體阻力矩Trf對精度的影響
當流量大于初始流量的時候，渦輪機旋轉角速度隨著流量增加而增加，并且影響流量計精度的主要原因變成了由流體產生的牽引扭矩Trf。
1.層流流動狀態時的流量計特性
在層流狀態下，流體流動阻力與流體粘度μ和渦輪機旋轉角速度ω成正比。ω與流體流量成正比。
在層流狀態下，儀器系數K與流體粘度μ的變化有關。如果粘度不變，則隨著流量qV的增加儀器系數K也將增加。
2.紊流流動狀態時的流量計特性
在湍流狀態下，流體的流動阻力與其密度ρ和速度qV成正比。此刻，不可以算出流體粘度的影響。
三、提高精度的方法
(一)減少機械阻力
*先，應該完成渦輪機的平衡，因為如果渦輪機的質量中心不在軸上，則渦輪機本身的重量會為軸承增加額外的慣性力矩，為了提高流量計流量低時的精度，需要提高加工品質，降低機械摩擦阻力。
(二)克服流體阻力的影響
*先，氣動渦輪機的表面應平滑以減少氣體和渦輪機之間的粘性摩擦。其次，根據Trf=C1μqv的特性和層流狀態Trf中的流體阻力矩，隨著qv的增加儀器系數K也增加。另外，渦輪葉片的重疊率不宜過高。否則流體阻力將會非常高，流量計的測量精度也會降低。
(三)減少漏氣對煤層氣流量計精度的影響
流向葉片的驅動扭矩Tr變小，影響流量計的精度。所以，氣動渦輪機與內壁之間的間隙通常小于0.5至1mm。重疊系數通常用于指示兩個相鄰渦輪葉片相互重疊的程度。重復的元素不應該太小。否則，泄漏增加，重疊因子通常從1－1.1中選擇。
四、壓力、溫度及壓縮系數的修正
氣體的體積與壓力、溫度和壓縮系數有關。煤層氣流量計必須通過壓力和溫度校正將在運行條件下測量的體積轉換為標準條件下的體積值。當氣體溫度較低并且壓力較高時，必須考慮壓縮因子的影響，以確保高精度的氣體流量測量。
(一)壓力、溫度修正的必要性
流量計的校準溫度設置為25°C，設壓力為0.1MPa。在氣體介質的現實操作溫度為0℃，氣壓為0.1MPa時，忽略溫度的影響會導致以下誤差:
在氣態介質溫度的實際操作中，測量值為25°C，壓力為0.105MPa，如果流量計溫度在25°C，0.1MPa壓力下校準，則會導致忽略壓力的誤差:
忽略溫度和壓力的影響，發生較大的誤差，因此有必要對溫度和壓力進行校正，壓力傳感器和溫度傳感器盡可能使用高精度產品。如果流量計的精度為1%，則溫度傳感器的精度必須高于0.2°C，壓力傳感器的精度必須高于0.2%。
(二)修正氣體壓縮系數
1.壓縮系數修正的必要性
壓縮系數是測量實際氣體接近理想氣體程度的參數。壓縮因子隨著溫度和壓力而變化，并且一般來說該功能通過比較壓力Pr和溫度Tr來表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如說，天然氣臨界溫度Tm是191.16k，臨界壓力Pm是4.64mpa。在溫度為0℃時和壓力為0.2MPa時，Pr=0.2/4.64，Tr=273/191，16;Z=0.995。忽略Z的值則誤差為0.502%。
由于流量計的相對誤差必須保持在1%或1.5%以內，如果壓力大于0.2Mpa，則必須考慮壓縮系數。
可以從一般曲線或使用狀態方程計算Z值。為了便于計算，使用二次擬合曲線的方法近似Z值。求解Z值時，選擇在研究范圍內均勻分布的6個Tr點作為比較溫度范圍內的參考點，以及Z和Pr之間的簡單函數關系我明白了。在溫度為T1的時候，對比溫度是Tr1，壓縮系數是ZT1;在溫度為T2的時候，對比溫度是Tr2，壓縮系數是ZT2;在現實中的氣體測量時，氣體成分的變化通常來說不會太大，所以Tm和Pm的值應該保持不變。
五、結束語
(1)校準小直徑、小流量渦輪流量計應使用標準鐘形裝置。校準大直徑大流量渦輪流量計應使用聲波噴嘴。標準渦輪流量計也可以用作內徑為100mm，大于100mm的渦輪流量計的標準設備，但需要每年重新驗證一次。
(2)合理設計校準系統，確保燃氣輪機流量計前后有足夠的直管段，如果由于管路限制導致直管段長度不夠，在流量計前安裝整流器。當氣體質量較差時，應安裝過濾器以避免雜質對系統的影響。當氣體含水量較大時，應安裝脫水干燥裝置。
(3)在選擇*佳設計和選擇高精度輔助設備(如壓力傳感器、溫度和計時設備)時，精度必須高于被測渦輪機表的要求精度。并將系統誤差降至*低。
(4)遵循嚴格的校準程序以符合校準所需的溫度、壓力、濕度和其他環境條件。
(5)正確處理數據并充分考慮通過標準設備、測試表和標準設備本身的錯誤時氣體狀態的差異。標準設備必須認真管理，并按照技術監督局的規定進行定期測試。