煤层气流量计机械摩擦与流体阻力对精度的影响及提高精度方法
点击次数：1727 发布时间：2021-01-08 07:21:22
摘要：本文在煤层气流量计实际应用的基础上，研究了煤层气流量计的性能特点，分析了影响煤层气流量计精度的各种因素，并基于该精度测量了煤层气流量计，总结了提高数据准确性的基础方法。
一、引言
仪器的精度一般有准确度、正确度和精密度。准确度A是检测真实值和结果二者的相同程度，并且由A=ε±U表示，其中U是不确定性系统误差±e和随机不确定度ΔM综合的不确定性。精度是测量结果的系统误差程度。由于系统误差E包括两部分，确定的系统误差和未定义的系统误差±e，所以精度可以表示为E=±e。测量精度高，精度等级可达1级、1.5级。测量范围宽度，测量范围宽度一般为1:20。
二、机械摩擦与流体阻力对精度的影响
(一)煤层气流量计的数学模型
用于涡轮机的转矩一般分为由流过涡轮机的流体产生的驱动转矩Tr。由涡轮机表面流动的流体引起的粘性摩擦以及涡轮机轴和轴承，齿轮和齿轮施加到涡轮机的机械摩擦力矩Trm。当流体通过涡轮机时流向涡轮机的流体阻力转矩Trf和涡轮机中的磁电转换器产生的电磁反冲转矩Tre。
(二)机械摩擦阻力矩Trm对精度的影响
对于真正的气体涡轮机流量计，涡轮机必须*先通过静摩擦的阻碍力矩才能旋转，克服涡轮静摩擦扭矩所需的*小值称为流量计的初始流量qvmin。如果流量计小于qvmin，则涡轮不会旋转，并且不会输出脉冲信号。当流量等于起始流量时，涡轮机启动，但此时的角速度非常小，并且流体阻力转矩Trf的影响可忽略不计。
(三)流体阻力矩Trf对精度的影响
当流量大于初始流量的时候，涡轮机旋转角速度随着流量增加而增加，并且影响流量计精度的主要原因变成了由流体产生的牵引扭矩Trf。
1.层流流动状态时的流量计特性
在层流状态下，流体流动阻力与流体粘度μ和涡轮机旋转角速度ω成正比。ω与流体流量成正比。
在层流状态下，仪器系数K与流体粘度μ的变化有关。如果粘度不变，则随着流量qV的增加仪器系数K也将增加。
2.紊流流动状态时的流量计特性
在湍流状态下，流体的流动阻力与其密度ρ和速度qV成正比。此刻，不可以算出流体粘度的影响。
三、提高精度的方法
(一)减少机械阻力
*先，应该完成涡轮机的平衡，因为如果涡轮机的质量中心不在轴上，则涡轮机本身的重量会为轴承增加额外的惯性力矩，为了提高流量计流量低时的精度，需要提高加工品质，降低机械摩擦阻力。
(二)克服流体阻力的影响
*先，气动涡轮机的表面应平滑以减少气体和涡轮机之间的粘性摩擦。其次，根据Trf=C1μqv的特性和层流状态Trf中的流体阻力矩，随着qv的增加仪器系数K也增加。另外，涡轮叶片的重叠率不宜过高。否则流体阻力将会非常高，流量计的测量精度也会降低。
(三)减少漏气对煤层气流量计精度的影响
流向叶片的驱动扭矩Tr变小，影响流量计的精度。所以，气动涡轮机与内壁之间的间隙通常小于0.5至1mm。重叠系数通常用于指示两个相邻涡轮叶片相互重叠的程度。重复的元素不应该太小。否则，泄漏增加，重叠因子通常从1－1.1中选择。
四、压力、温度及压缩系数的修正
气体的体积与压力、温度和压缩系数有关。煤层气流量计必须通过压力和温度校正将在运行条件下测量的体积转换为标准条件下的体积值。当气体温度较低并且压力较高时，必须考虑压缩因子的影响，以确保高精度的气体流量测量。
(一)压力、温度修正的必要性
流量计的校准温度设置为25°C，设压力为0.1MPa。在气体介质的现实操作温度为0℃，气压为0.1MPa时，忽略温度的影响会导致以下误差:
在气态介质温度的实际操作中，测量值为25°C，压力为0.105MPa，如果流量计温度在25°C，0.1MPa压力下校准，则会导致忽略压力的误差:
忽略温度和压力的影响，发生较大的误差，因此有必要对温度和压力进行校正，压力传感器和温度传感器尽可能使用高精度产品。如果流量计的精度为1%，则温度传感器的精度必须高于0.2°C，压力传感器的精度必须高于0.2%。
(二)修正气体压缩系数
1.压缩系数修正的必要性
压缩系数是测量实际气体接近理想气体程度的参数。压缩因子随着温度和压力而变化，并且一般来说该功能通过比较压力Pr和温度Tr来表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如说，天然气临界温度Tm是191.16k，临界压力Pm是4.64mpa。在温度为0℃时和压力为0.2MPa时，Pr=0.2/4.64，Tr=273/191，16;Z=0.995。忽略Z的值则误差为0.502%。
由于流量计的相对误差必须保持在1%或1.5%以内，如果压力大于0.2Mpa，则必须考虑压缩系数。
可以从一般曲线或使用状态方程计算Z值。为了便于计算，使用二次拟合曲线的方法近似Z值。求解Z值时，选择在研究范围内均匀分布的6个Tr点作为比较温度范围内的参考点，以及Z和Pr之间的简单函数关系我明白了。在温度为T1的时候，对比温度是Tr1，压缩系数是ZT1;在温度为T2的时候，对比温度是Tr2，压缩系数是ZT2;在现实中的气体测量时，气体成分的变化通常来说不会太大，所以Tm和Pm的值应该保持不变。
五、结束语
(1)校准小直径、小流量涡轮流量计应使用标准钟形装置。校准大直径大流量涡轮流量计应使用声波喷嘴。标准涡轮流量计也可以用作内径为100mm，大于100mm的涡轮流量计的标准设备，但需要每年重新验证一次。
(2)合理设计校准系统，确保燃气轮机流量计前后有足够的直管段，如果由于管路限制导致直管段长度不够，在流量计前安装整流器。当气体质量较差时，应安装过滤器以避免杂质对系统的影响。当气体含水量较大时，应安装脱水干燥装置。
(3)在选择*佳设计和选择高精度辅助设备(如压力传感器、温度和计时设备)时，精度必须高于被测涡轮机表的要求精度。并将系统误差降至*低。
(4)遵循严格的校准程序以符合校准所需的温度、压力、湿度和其他环境条件。
(5)正确处理数据并充分考虑通过标准设备、测试表和标准设备本身的错误时气体状态的差异。标准设备必须认真管理，并按照技术监督局的规定进行定期测试。
一、引言
仪器的精度一般有准确度、正确度和精密度。准确度A是检测真实值和结果二者的相同程度，并且由A=ε±U表示，其中U是不确定性系统误差±e和随机不确定度ΔM综合的不确定性。精度是测量结果的系统误差程度。由于系统误差E包括两部分，确定的系统误差和未定义的系统误差±e，所以精度可以表示为E=±e。测量精度高，精度等级可达1级、1.5级。测量范围宽度，测量范围宽度一般为1:20。
二、机械摩擦与流体阻力对精度的影响
(一)煤层气流量计的数学模型
用于涡轮机的转矩一般分为由流过涡轮机的流体产生的驱动转矩Tr。由涡轮机表面流动的流体引起的粘性摩擦以及涡轮机轴和轴承，齿轮和齿轮施加到涡轮机的机械摩擦力矩Trm。当流体通过涡轮机时流向涡轮机的流体阻力转矩Trf和涡轮机中的磁电转换器产生的电磁反冲转矩Tre。
(二)机械摩擦阻力矩Trm对精度的影响
对于真正的气体涡轮机流量计，涡轮机必须*先通过静摩擦的阻碍力矩才能旋转，克服涡轮静摩擦扭矩所需的*小值称为流量计的初始流量qvmin。如果流量计小于qvmin，则涡轮不会旋转，并且不会输出脉冲信号。当流量等于起始流量时，涡轮机启动，但此时的角速度非常小，并且流体阻力转矩Trf的影响可忽略不计。
(三)流体阻力矩Trf对精度的影响
当流量大于初始流量的时候，涡轮机旋转角速度随着流量增加而增加，并且影响流量计精度的主要原因变成了由流体产生的牵引扭矩Trf。
1.层流流动状态时的流量计特性
在层流状态下，流体流动阻力与流体粘度μ和涡轮机旋转角速度ω成正比。ω与流体流量成正比。
在层流状态下，仪器系数K与流体粘度μ的变化有关。如果粘度不变，则随着流量qV的增加仪器系数K也将增加。
2.紊流流动状态时的流量计特性
在湍流状态下，流体的流动阻力与其密度ρ和速度qV成正比。此刻，不可以算出流体粘度的影响。
三、提高精度的方法
(一)减少机械阻力
*先，应该完成涡轮机的平衡，因为如果涡轮机的质量中心不在轴上，则涡轮机本身的重量会为轴承增加额外的惯性力矩，为了提高流量计流量低时的精度，需要提高加工品质，降低机械摩擦阻力。
(二)克服流体阻力的影响
*先，气动涡轮机的表面应平滑以减少气体和涡轮机之间的粘性摩擦。其次，根据Trf=C1μqv的特性和层流状态Trf中的流体阻力矩，随着qv的增加仪器系数K也增加。另外，涡轮叶片的重叠率不宜过高。否则流体阻力将会非常高，流量计的测量精度也会降低。
(三)减少漏气对煤层气流量计精度的影响
流向叶片的驱动扭矩Tr变小，影响流量计的精度。所以，气动涡轮机与内壁之间的间隙通常小于0.5至1mm。重叠系数通常用于指示两个相邻涡轮叶片相互重叠的程度。重复的元素不应该太小。否则，泄漏增加，重叠因子通常从1－1.1中选择。
四、压力、温度及压缩系数的修正
气体的体积与压力、温度和压缩系数有关。煤层气流量计必须通过压力和温度校正将在运行条件下测量的体积转换为标准条件下的体积值。当气体温度较低并且压力较高时，必须考虑压缩因子的影响，以确保高精度的气体流量测量。
(一)压力、温度修正的必要性
流量计的校准温度设置为25°C，设压力为0.1MPa。在气体介质的现实操作温度为0℃，气压为0.1MPa时，忽略温度的影响会导致以下误差:
在气态介质温度的实际操作中，测量值为25°C，压力为0.105MPa，如果流量计温度在25°C，0.1MPa压力下校准，则会导致忽略压力的误差:
忽略温度和压力的影响，发生较大的误差，因此有必要对温度和压力进行校正，压力传感器和温度传感器尽可能使用高精度产品。如果流量计的精度为1%，则温度传感器的精度必须高于0.2°C，压力传感器的精度必须高于0.2%。
(二)修正气体压缩系数
1.压缩系数修正的必要性
压缩系数是测量实际气体接近理想气体程度的参数。压缩因子随着温度和压力而变化，并且一般来说该功能通过比较压力Pr和温度Tr来表示。Pr=P/Pm;Tr=T/Tm。比如说，天然气临界温度Tm是191.16k，临界压力Pm是4.64mpa。在温度为0℃时和压力为0.2MPa时，Pr=0.2/4.64，Tr=273/191，16;Z=0.995。忽略Z的值则误差为0.502%。
由于流量计的相对误差必须保持在1%或1.5%以内，如果压力大于0.2Mpa，则必须考虑压缩系数。
可以从一般曲线或使用状态方程计算Z值。为了便于计算，使用二次拟合曲线的方法近似Z值。求解Z值时，选择在研究范围内均匀分布的6个Tr点作为比较温度范围内的参考点，以及Z和Pr之间的简单函数关系我明白了。在温度为T1的时候，对比温度是Tr1，压缩系数是ZT1;在温度为T2的时候，对比温度是Tr2，压缩系数是ZT2;在现实中的气体测量时，气体成分的变化通常来说不会太大，所以Tm和Pm的值应该保持不变。
五、结束语
(1)校准小直径、小流量涡轮流量计应使用标准钟形装置。校准大直径大流量涡轮流量计应使用声波喷嘴。标准涡轮流量计也可以用作内径为100mm，大于100mm的涡轮流量计的标准设备，但需要每年重新验证一次。
(2)合理设计校准系统，确保燃气轮机流量计前后有足够的直管段，如果由于管路限制导致直管段长度不够，在流量计前安装整流器。当气体质量较差时，应安装过滤器以避免杂质对系统的影响。当气体含水量较大时，应安装脱水干燥装置。
(3)在选择*佳设计和选择高精度辅助设备(如压力传感器、温度和计时设备)时，精度必须高于被测涡轮机表的要求精度。并将系统误差降至*低。
(4)遵循严格的校准程序以符合校准所需的温度、压力、湿度和其他环境条件。
(5)正确处理数据并充分考虑通过标准设备、测试表和标准设备本身的错误时气体状态的差异。标准设备必须认真管理，并按照技术监督局的规定进行定期测试。