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煤層氣流量計(jì)機(jī)械摩擦與流體阻力對(duì)精度的影響及提高精度方法
點(diǎn)擊次數(shù)：1683 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 07:21:22
摘要：本文在煤層氣流量計(jì)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研究了煤層氣流量計(jì)的性能特點(diǎn)，分析了影響煤層氣流量計(jì)精度的各種因素，并基于該精度測(cè)量了煤層氣流量計(jì)，總結(jié)了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)方法。
一、引言
儀器的精度一般有準(zhǔn)確度、正確度和精密度。準(zhǔn)確度A是檢測(cè)真實(shí)值和結(jié)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(tǒng)誤差±e和隨機(jī)不確定度ΔM綜合的不確定性。精度是測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差程度。由于系統(tǒng)誤差E包括兩部分，確定的系統(tǒng)誤差和未定義的系統(tǒng)誤差±e，所以精度可以表示為E=±e。測(cè)量精度高，精度等級(jí)可達(dá)1級(jí)、1.5級(jí)。測(cè)量范圍寬度，測(cè)量范圍寬度一般為1:20。
二、機(jī)械摩擦與流體阻力對(duì)精度的影響
(一)煤層氣流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型
用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般分為由流過(guò)渦輪機(jī)的流體產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr。由渦輪機(jī)表面流動(dòng)的流體引起的粘性摩擦以及渦輪機(jī)軸和軸承，齒輪和齒輪施加到渦輪機(jī)的機(jī)械摩擦力矩Trm。當(dāng)流體通過(guò)渦輪機(jī)時(shí)流向渦輪機(jī)的流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf和渦輪機(jī)中的磁電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁反沖轉(zhuǎn)矩Tre。
(二)機(jī)械摩擦阻力矩Trm對(duì)精度的影響
對(duì)于真正的氣體渦輪機(jī)流量計(jì)，渦輪機(jī)必須*先通過(guò)靜摩擦的阻礙力矩才能旋轉(zhuǎn)，克服渦輪靜摩擦扭矩所需的*小值稱為流量計(jì)的初始流量qvmin。如果流量計(jì)小于qvmin，則渦輪不會(huì)旋轉(zhuǎn)，并且不會(huì)輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)流量等于起始流量時(shí)，渦輪機(jī)啟動(dòng)，但此時(shí)的角速度非常小，并且流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf的影響可忽略不計(jì)。
(三)流體阻力矩Trf對(duì)精度的影響
當(dāng)流量大于初始流量的時(shí)候，渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度隨著流量增加而增加，并且影響流量計(jì)精度的主要原因變成了由流體產(chǎn)生的牽引扭矩Trf。
1.層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的流量計(jì)特性
在層流狀態(tài)下，流體流動(dòng)阻力與流體粘度μ和渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度ω成正比。ω與流體流量成正比。
在層流狀態(tài)下，儀器系數(shù)K與流體粘度μ的變化有關(guān)。如果粘度不變，則隨著流量qV的增加儀器系數(shù)K也將增加。
2.紊流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的流量計(jì)特性
在湍流狀態(tài)下，流體的流動(dòng)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(jī)械阻力
*先，應(yīng)該完成渦輪機(jī)的平衡，因?yàn)槿绻麥u輪機(jī)的質(zhì)量中心不在軸上，則渦輪機(jī)本身的重量會(huì)為軸承增加額外的慣性力矩，為了提高流量計(jì)流量低時(shí)的精度，需要提高加工品質(zhì)，降低機(jī)械摩擦阻力。
(二)克服流體阻力的影響
*先，氣動(dòng)渦輪機(jī)的表面應(yīng)平滑以減少氣體和渦輪機(jī)之間的粘性摩擦。其次，根據(jù)Trf=C1μqv的特性和層流狀態(tài)Trf中的流體阻力矩，隨著qv的增加儀器系數(shù)K也增加。另外，渦輪葉片的重疊率不宜過(guò)高。否則流體阻力將會(huì)非常高，流量計(jì)的測(cè)量精度也會(huì)降低。
(三)減少漏氣對(duì)煤層氣流量計(jì)精度的影響
流向葉片的驅(qū)動(dòng)扭矩Tr變小，影響流量計(jì)的精度。所以，氣動(dòng)渦輪機(jī)與內(nèi)壁之間的間隙通常小于0.5至1mm。重疊系數(shù)通常用于指示兩個(gè)相鄰渦輪葉片相互重疊的程度。重復(fù)的元素不應(yīng)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(shù)的修正
氣體的體積與壓力、溫度和壓縮系數(shù)有關(guān)。煤層氣流量計(jì)必須通過(guò)壓力和溫度校正將在運(yùn)行條件下測(cè)量的體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積值。當(dāng)氣體溫度較低并且壓力較高時(shí)，必須考慮壓縮因子的影響，以確保高精度的氣體流量測(cè)量。
(一)壓力、溫度修正的必要性
流量計(jì)的校準(zhǔn)溫度設(shè)置為25°C，設(shè)壓力為0.1MPa。在氣體介質(zhì)的現(xiàn)實(shí)操作溫度為0℃，氣壓為0.1MPa時(shí)，忽略溫度的影響會(huì)導(dǎo)致以下誤差:
在氣態(tài)介質(zhì)溫度的實(shí)際操作中，測(cè)量值為25°C，壓力為0.105MPa，如果流量計(jì)溫度在25°C，0.1MPa壓力下校準(zhǔn)，則會(huì)導(dǎo)致忽略壓力的誤差:
忽略溫度和壓力的影響，發(fā)生較大的誤差，因此有必要對(duì)溫度和壓力進(jìn)行校正，壓力傳感器和溫度傳感器盡可能使用高精度產(chǎn)品。如果流量計(jì)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(shù)
1.壓縮系數(shù)修正的必要性
壓縮系數(shù)是測(cè)量實(shí)際氣體接近理想氣體程度的參數(shù)。壓縮因子隨著溫度和壓力而變化，并且一般來(lái)說(shuō)該功能通過(guò)比較壓力Pr和溫度Tr來(lái)表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如說(shuō)，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(shí)和壓力為0.2MPa時(shí)，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(jì)的相對(duì)誤差必須保持在1%或1.5%以內(nèi)，如果壓力大于0.2Mpa，則必須考慮壓縮系數(shù)。
可以從一般曲線或使用狀態(tài)方程計(jì)算Z值。為了便于計(jì)算，使用二次擬合曲線的方法近似Z值。求解Z值時(shí)，選擇在研究范圍內(nèi)均勻分布的6個(gè)Tr點(diǎn)作為比較溫度范圍內(nèi)的參考點(diǎn)，以及Z和Pr之間的簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系我明白了。在溫度為T(mén)1的時(shí)候，對(duì)比溫度是Tr1，壓縮系數(shù)是ZT1;在溫度為T(mén)2的時(shí)候，對(duì)比溫度是Tr2，壓縮系數(shù)是ZT2;在現(xiàn)實(shí)中的氣體測(cè)量時(shí)，氣體成分的變化通常來(lái)說(shuō)不會(huì)太大，所以Tm和Pm的值應(yīng)該保持不變。
五、結(jié)束語(yǔ)
(1)校準(zhǔn)小直徑、小流量渦輪流量計(jì)應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)鐘形裝置。校準(zhǔn)大直徑大流量渦輪流量計(jì)應(yīng)使用聲波噴嘴。標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)也可以用作內(nèi)徑為100mm，大于100mm的渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但需要每年重新驗(yàn)證一次。
(2)合理設(shè)計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)，確保燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)前后有足夠的直管段，如果由于管路限制導(dǎo)致直管段長(zhǎng)度不夠，在流量計(jì)前安裝整流器。當(dāng)氣體質(zhì)量較差時(shí)，應(yīng)安裝過(guò)濾器以避免雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)氣體含水量較大時(shí)，應(yīng)安裝脫水干燥裝置。
(3)在選擇*佳設(shè)計(jì)和選擇高精度輔助設(shè)備(如壓力傳感器、溫度和計(jì)時(shí)設(shè)備)時(shí)，精度必須高于被測(cè)渦輪機(jī)表的要求精度。并將系統(tǒng)誤差降至*低。
(4)遵循嚴(yán)格的校準(zhǔn)程序以符合校準(zhǔn)所需的溫度、壓力、濕度和其他環(huán)境條件。
(5)正確處理數(shù)據(jù)并充分考慮通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、測(cè)試表和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備本身的錯(cuò)誤時(shí)氣體狀態(tài)的差異。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須認(rèn)真管理，并按照技術(shù)監(jiān)督局的規(guī)定進(jìn)行定期測(cè)試。
一、引言
儀器的精度一般有準(zhǔn)確度、正確度和精密度。準(zhǔn)確度A是檢測(cè)真實(shí)值和結(jié)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(tǒng)誤差±e和隨機(jī)不確定度ΔM綜合的不確定性。精度是測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差程度。由于系統(tǒng)誤差E包括兩部分，確定的系統(tǒng)誤差和未定義的系統(tǒng)誤差±e，所以精度可以表示為E=±e。測(cè)量精度高，精度等級(jí)可達(dá)1級(jí)、1.5級(jí)。測(cè)量范圍寬度，測(cè)量范圍寬度一般為1:20。
二、機(jī)械摩擦與流體阻力對(duì)精度的影響
(一)煤層氣流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型
用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般分為由流過(guò)渦輪機(jī)的流體產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr。由渦輪機(jī)表面流動(dòng)的流體引起的粘性摩擦以及渦輪機(jī)軸和軸承，齒輪和齒輪施加到渦輪機(jī)的機(jī)械摩擦力矩Trm。當(dāng)流體通過(guò)渦輪機(jī)時(shí)流向渦輪機(jī)的流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf和渦輪機(jī)中的磁電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁反沖轉(zhuǎn)矩Tre。
(二)機(jī)械摩擦阻力矩Trm對(duì)精度的影響
對(duì)于真正的氣體渦輪機(jī)流量計(jì)，渦輪機(jī)必須*先通過(guò)靜摩擦的阻礙力矩才能旋轉(zhuǎn)，克服渦輪靜摩擦扭矩所需的*小值稱為流量計(jì)的初始流量qvmin。如果流量計(jì)小于qvmin，則渦輪不會(huì)旋轉(zhuǎn)，并且不會(huì)輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)流量等于起始流量時(shí)，渦輪機(jī)啟動(dòng)，但此時(shí)的角速度非常小，并且流體阻力轉(zhuǎn)矩Trf的影響可忽略不計(jì)。
(三)流體阻力矩Trf對(duì)精度的影響
當(dāng)流量大于初始流量的時(shí)候，渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度隨著流量增加而增加，并且影響流量計(jì)精度的主要原因變成了由流體產(chǎn)生的牽引扭矩Trf。
1.層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的流量計(jì)特性
在層流狀態(tài)下，流體流動(dòng)阻力與流體粘度μ和渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度ω成正比。ω與流體流量成正比。
在層流狀態(tài)下，儀器系數(shù)K與流體粘度μ的變化有關(guān)。如果粘度不變，則隨著流量qV的增加儀器系數(shù)K也將增加。
2.紊流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的流量計(jì)特性
在湍流狀態(tài)下，流體的流動(dòng)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(jī)械阻力
*先，應(yīng)該完成渦輪機(jī)的平衡，因?yàn)槿绻麥u輪機(jī)的質(zhì)量中心不在軸上，則渦輪機(jī)本身的重量會(huì)為軸承增加額外的慣性力矩，為了提高流量計(jì)流量低時(shí)的精度，需要提高加工品質(zhì)，降低機(jī)械摩擦阻力。
(二)克服流體阻力的影響
*先，氣動(dòng)渦輪機(jī)的表面應(yīng)平滑以減少氣體和渦輪機(jī)之間的粘性摩擦。其次，根據(jù)Trf=C1μqv的特性和層流狀態(tài)Trf中的流體阻力矩，隨著qv的增加儀器系數(shù)K也增加。另外，渦輪葉片的重疊率不宜過(guò)高。否則流體阻力將會(huì)非常高，流量計(jì)的測(cè)量精度也會(huì)降低。
(三)減少漏氣對(duì)煤層氣流量計(jì)精度的影響
流向葉片的驅(qū)動(dòng)扭矩Tr變小，影響流量計(jì)的精度。所以，氣動(dòng)渦輪機(jī)與內(nèi)壁之間的間隙通常小于0.5至1mm。重疊系數(shù)通常用于指示兩個(gè)相鄰渦輪葉片相互重疊的程度。重復(fù)的元素不應(yīng)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(shù)的修正
氣體的體積與壓力、溫度和壓縮系數(shù)有關(guān)。煤層氣流量計(jì)必須通過(guò)壓力和溫度校正將在運(yùn)行條件下測(cè)量的體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積值。當(dāng)氣體溫度較低并且壓力較高時(shí)，必須考慮壓縮因子的影響，以確保高精度的氣體流量測(cè)量。
(一)壓力、溫度修正的必要性
流量計(jì)的校準(zhǔn)溫度設(shè)置為25°C，設(shè)壓力為0.1MPa。在氣體介質(zhì)的現(xiàn)實(shí)操作溫度為0℃，氣壓為0.1MPa時(shí)，忽略溫度的影響會(huì)導(dǎo)致以下誤差:
在氣態(tài)介質(zhì)溫度的實(shí)際操作中，測(cè)量值為25°C，壓力為0.105MPa，如果流量計(jì)溫度在25°C，0.1MPa壓力下校準(zhǔn)，則會(huì)導(dǎo)致忽略壓力的誤差:
忽略溫度和壓力的影響，發(fā)生較大的誤差，因此有必要對(duì)溫度和壓力進(jìn)行校正，壓力傳感器和溫度傳感器盡可能使用高精度產(chǎn)品。如果流量計(jì)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(shù)
1.壓縮系數(shù)修正的必要性
壓縮系數(shù)是測(cè)量實(shí)際氣體接近理想氣體程度的參數(shù)。壓縮因子隨著溫度和壓力而變化，并且一般來(lái)說(shuō)該功能通過(guò)比較壓力Pr和溫度Tr來(lái)表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如說(shuō)，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(shí)和壓力為0.2MPa時(shí)，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(jì)的相對(duì)誤差必須保持在1%或1.5%以內(nèi)，如果壓力大于0.2Mpa，則必須考慮壓縮系數(shù)。
可以從一般曲線或使用狀態(tài)方程計(jì)算Z值。為了便于計(jì)算，使用二次擬合曲線的方法近似Z值。求解Z值時(shí)，選擇在研究范圍內(nèi)均勻分布的6個(gè)Tr點(diǎn)作為比較溫度范圍內(nèi)的參考點(diǎn)，以及Z和Pr之間的簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系我明白了。在溫度為T(mén)1的時(shí)候，對(duì)比溫度是Tr1，壓縮系數(shù)是ZT1;在溫度為T(mén)2的時(shí)候，對(duì)比溫度是Tr2，壓縮系數(shù)是ZT2;在現(xiàn)實(shí)中的氣體測(cè)量時(shí)，氣體成分的變化通常來(lái)說(shuō)不會(huì)太大，所以Tm和Pm的值應(yīng)該保持不變。
五、結(jié)束語(yǔ)
(1)校準(zhǔn)小直徑、小流量渦輪流量計(jì)應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)鐘形裝置。校準(zhǔn)大直徑大流量渦輪流量計(jì)應(yīng)使用聲波噴嘴。標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)也可以用作內(nèi)徑為100mm，大于100mm的渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但需要每年重新驗(yàn)證一次。
(2)合理設(shè)計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)，確保燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)前后有足夠的直管段，如果由于管路限制導(dǎo)致直管段長(zhǎng)度不夠，在流量計(jì)前安裝整流器。當(dāng)氣體質(zhì)量較差時(shí)，應(yīng)安裝過(guò)濾器以避免雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)氣體含水量較大時(shí)，應(yīng)安裝脫水干燥裝置。
(3)在選擇*佳設(shè)計(jì)和選擇高精度輔助設(shè)備(如壓力傳感器、溫度和計(jì)時(shí)設(shè)備)時(shí)，精度必須高于被測(cè)渦輪機(jī)表的要求精度。并將系統(tǒng)誤差降至*低。
(4)遵循嚴(yán)格的校準(zhǔn)程序以符合校準(zhǔn)所需的溫度、壓力、濕度和其他環(huán)境條件。
(5)正確處理數(shù)據(jù)并充分考慮通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、測(cè)試表和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備本身的錯(cuò)誤時(shí)氣體狀態(tài)的差異。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須認(rèn)真管理，并按照技術(shù)監(jiān)督局的規(guī)定進(jìn)行定期測(cè)試。