如何理解渦輪流量計(jì)的液體計(jì)量控制系統(tǒng)計(jì)量的不確定度問題

渦輪流量計(jì)是人們常用的一種流量測(cè)量?jī)x表，由于它具有重復(fù)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、量程比寬等優(yōu)點(diǎn)，加上智能化顯示控制儀表的出現(xiàn)，在準(zhǔn)確度要求較高的計(jì)量場(chǎng)合得到了**的采用。雖然近年來出現(xiàn)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)能直接測(cè)量流體的質(zhì)量，且準(zhǔn)確度高，但價(jià)格昂貴，安裝要求較高，阻礙了它的應(yīng)用。這樣，用渦輪流量計(jì)間接測(cè)量液體的質(zhì)量流量就成為人們**方案之一。這里首先說明一下，儲(chǔ)罐液位的高度不同，流過流量計(jì)的流量也不同。如果液體有幾m的高度差，瞬時(shí)流量就有較大的變化，以致使計(jì)量大大超差。當(dāng)選用精度為0.5%的渦輪流量計(jì)時(shí)，如何保證計(jì)量要求的精度（不大于0.3%）呢？從下文可以看出，渦輪流量計(jì)的精度是表示流量變化范圍內(nèi)的流量系數(shù)的變化大小，那么要準(zhǔn)確測(cè)量液體流量就有兩種方法：**種方法是固定通過渦輪的液體流量（即恒定流速法），這種方法構(gòu)成的計(jì)量系統(tǒng)安裝量大，但檢定很容易；第二種方法是根據(jù)流量的不同來修正流量系數(shù)，這種方法雖然安裝量小，但檢定比較麻煩，因?yàn)橐鶕?jù)儲(chǔ)罐內(nèi)液面的不同高度，來確定幾個(gè)流量系數(shù)，以精確計(jì)算流量。下面詳細(xì)介紹**種方法。
 

 

1、渦輪流量計(jì)的工作特性

1.1工作原理

渦輪流量計(jì)是利用置于流體中的葉輪感受流體平均速度的流量計(jì)，與流量成正比的葉輪轉(zhuǎn)速通常由安裝在管道外的檢測(cè)裝置檢出，它由渦輪流量傳感器和顯示儀表組成。

流經(jīng)變送器的流體體積流量qv可用下式表示：
qv=f/K   （1）

式中：f為電信號(hào)的頻率，它同葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有正比關(guān)系；K為常數(shù)，亦稱儀表系數(shù)。

式（1）也可改成

K=f/qv

由上式可看出，儀表系數(shù)K是變送器輸出電信號(hào)的頻率f（次/s）同流經(jīng)儀表的液體體積流量qv（L/s）的比值，K的單位是次/L。輸出頻率信號(hào)的流量計(jì)都有儀表系數(shù)這一特征常數(shù)，它能幫助了解和掌握儀表性能，同時(shí)也對(duì)流量?jī)x表的檢定有重要意義。

1.2工作特性

K-qv的關(guān)系曲線稱為渦輪流量計(jì)的特性曲線如圖1所示。

理論上，K-qv關(guān)系應(yīng)該是確定的，但實(shí)際上由于在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體產(chǎn)生阻力機(jī)理不同，效果也不同，所以使特性曲線成為曲線形狀。

在層流區(qū)，當(dāng)qv＞qmin時(shí)為層流流動(dòng)狀態(tài)，儀表系數(shù)K將隨流量qv的增加而增大。

在紊流流動(dòng)狀態(tài)下，儀表系數(shù)K僅與儀表本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量qv、流體粘度μ等參數(shù)無關(guān)，可近似為一常數(shù)。只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)K才真正顯示了常數(shù)的性質(zhì)。儀表系數(shù)K為常數(shù)的這個(gè)區(qū)間，也就是該流量計(jì)的流量測(cè)量范圍。

圖1中虛線為渦輪流量計(jì)的理想特性，若只有這種特性，不論流量如何變化，總可以使累積流量、瞬時(shí)流量的誤差為零。圖1中實(shí)線為一般渦輪流量計(jì)特性曲線的大致趨勢(shì)，在進(jìn)入測(cè)量范圍（即進(jìn)入紊流流動(dòng)
狀態(tài)）以內(nèi)，隨流量的變化其儀表系數(shù)K也會(huì)有變化，通常其變化幅度左右流量計(jì)的測(cè)量精度。

在層流與紊流叫交界點(diǎn)（Re=2300）上，特性曲線上K有一個(gè)峰值，其位置受流體粘度的影響較大。

由圖1可以看出，如果流速恒定，那么系數(shù)K也就有唯一確定的值。下面提出通過恒定液位（即系統(tǒng)壓頭）的方法來恒定流速，構(gòu)成一個(gè)恒流速計(jì)量系統(tǒng)。
 

2、液體計(jì)量控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

2.2各部分說明

渦輪流量計(jì)：由于這里渦輪流量計(jì)是用于發(fā)貨計(jì)量，所以應(yīng)選擇較高的精度，如0.5%～0.1%，由于它的再現(xiàn)性可達(dá)0.05%，所以即使選擇0.5%精度的，系統(tǒng)的計(jì)量也可望達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。

顯示控制儀：現(xiàn)在有不少的流量顯示控制儀，它不僅能夠顯示流體的瞬時(shí)流量和累積流量，還可實(shí)時(shí)檢測(cè)流體溫度，對(duì)流量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)當(dāng)累積流量達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，以關(guān)閉電磁閥和流量泵。

高位槽：也稱高位溢流槽，它通過溢流堰板保證高位槽液面的恒定，這樣可保證整個(gè)液體流程中的壓頭一定，那么流體的流速也就一定，從圖1中可以看出，瞬時(shí)流qv一定時(shí)，儀表系數(shù)K也就有唯一確定的值。

溫度計(jì)：用于質(zhì)量流量計(jì)量時(shí)的密度補(bǔ)償。因?yàn)樵谟脤?shí)流標(biāo)定流量計(jì)時(shí)，總是在某一溫度下進(jìn)行，那么偏離這一溫度的流量計(jì)量也就存在著較大偏差，通常通過檢測(cè)實(shí)際溫度來補(bǔ)償這一偏差。這里要選擇反應(yīng)時(shí)間很短的熱電阻，以及時(shí)有效地進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)橛行┮后w不僅不同批次溫度不同，就是同一次發(fā)貨，剛開始的一段時(shí)間與其后的溫度也大不一樣。
 

3、系數(shù)的確定

計(jì)量系統(tǒng)的校驗(yàn)分兩項(xiàng)內(nèi)容，**是對(duì)系數(shù)K的確定，第二是對(duì)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償?shù)挠行赃M(jìn)行評(píng)定。液體的密度ρ是溫度t的函數(shù)，在一定的溫度范圍內(nèi)，可用二次多項(xiàng)式來表示，也可通過回歸法求得函數(shù)式ρ=f（t），都能得到較好的擬合效果。當(dāng)然溫度補(bǔ)償?shù)挠行匀绾危€要通過校驗(yàn)來證明，這個(gè)工作可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

系數(shù)K的確定方法：首先以渦輪上的系數(shù)記為K輸入顯示控制儀表，把標(biāo)定所用的流體重量設(shè)定為Gm；啟動(dòng)流量系統(tǒng)；然后把計(jì)量過的流體用汽車衡或磅秤稱重，其值設(shè)為Gm。這時(shí)的流量系數(shù)K可通過下式計(jì)算出來：

K=KGm/Gm   （2）

把K值輸入顯示儀表，再計(jì)量重量Gm的液體，通過稱量法來校對(duì)是否超差。

確定系數(shù)K時(shí)所用的流體重量要大于1～2t，以減少其它因素對(duì)計(jì)算K值的影響。當(dāng)發(fā)貨的批量較少時(shí)，如幾十kg，這時(shí)的計(jì)量可能超差，這主要是由于電磁閥不能及時(shí)關(guān)閉造成的，有的顯示控制儀對(duì)此有特別的考慮。

實(shí)際上，其它輸入頻率信號(hào)的流量計(jì)，如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等都可以用式（2）來確定流量系數(shù)。
 

4、系統(tǒng)計(jì)量的不確定度

此系統(tǒng)的計(jì)量誤差來源由以下幾項(xiàng)：

流量系數(shù)的重復(fù)性誤差：δ1=0.05%；

流量顯示儀表的誤差：接受頻率信號(hào)的流量?jī)x表，其積算精度一般可達(dá)0.1%，這里取δ2=0.1%；

系數(shù)標(biāo)定時(shí)所用衡器的誤差：δ3=0.1%；

由于溫度不能完全有效補(bǔ)償而引入的誤差；這個(gè)誤差通常很小，在此不予考慮。

用方和根法合成的總不確定度為

這個(gè)結(jié)果用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量是完全符合要求的。