摘要：本文對油品流量測量中使用最為廣泛的兩種流量計-渦輪流量計與齒輪流量計對粘度的適應性進行了理論分析與實驗，分別在燃油(常溫粘度1.7 mm2/s)、液壓油(常溫粘度20.0 mm2/s)、潤滑油(常溫粘度60.0 mm2/s)流量標準裝置上對兩種流量計進行了校準.比較數據得出齒輪流量計對粘度的適應性更強,渦輪流量計在燃油介質與潤滑油介質(同一流量點)中的儀表系數差異高達16%,因此渦輪流量計進行高粘度油品流量測量需采用與實際介質相近粘度的介質進行校準,確保流量測量的準確.

液體渦輪流量計與齒輪流量計是油品流量測量中使用最為廣泛的兩種流量計，尤其是渦輪流量計憑借其價格低廉、精度高而得到廣泛認可,使用者在任何場合都喜歡使用渦輪流量計.

本文從介質粘度這一流量計選型使用的重要依據出發,理論分析與實驗比較渦輪流量計與齒輪流量計對介質的適應性,可以更好地選擇使用這兩種流量計.

1、介質粘度對渦輪流量計系數影響理論的分析

圖1所示為渦輪流量傳感器結構簡圖[3].由圖1可見,當被測流體流過傳感器時,在流體作用下,葉輪受力旋轉,其轉速與管道平均流速成正比,葉輪的轉動周期性地改變磁電轉換器的磁阻值.檢測線圈中的磁通量隨之發生周期性變化,產生周期性的感應電勢,即電脈沖信號經放大器放大后,送至顯示儀表顯示.渦輪流量計常用的實際流量方程為

Q= f/k   (1)

式中: Q為體積流量,單位: L/s; f為流量計輸出的頻率,單位:Hz; k為儀表系數,單位P/L(每升發出多少個脈沖).

通常在使用渦輪流量計時,通過測量流量計的輸出頻率除以儀表系數(實驗室校準獲得)得到體積流量.

國內外學者提出許多渦輪流量計理論流量方程,根據這些模型可知影響儀表系數的因素較多,并可對介質粘度對流量計儀表系數的影響進行定性預測,儀表系數k可近似表示為

式中:α,β,γ為與結構相關的參數;υ為粘度;Q為流量.

由式(2)可知:結構相同的情況下,粘度增加其阻力矩增加,使得儀表系數減小,且儀表系數的線性區域減小.

由于渦輪流量計儀表系數與流體物性及流動特性有復雜的關系,還不能用這些理論公式推導儀表系數得到定量的數據,儀表系數仍需由實流校驗確定。

2、介質粘度對齒輪流量計系數影響的理論分析

齒輪流量計屬于容積式流量計.齒輪流量計結構簡圖見圖2.其工作原理為:流體在上游的壓力作用下進入流量計,推動一對嚙合的圓柱齒輪轉動.齒輪的齒頂圓和端面與殼體底座及殼體上蓋之間的間隙非常小,齒輪在轉動過程中,輪齒把流動的液體連續不斷地分割成單個的體積單元,每個體積單元等于兩個輪齒的容積.齒輪每轉動一個齒距的角度,排出等于兩個輪齒容積的流體體積.在殼體上蓋對應測量齒輪分度圓處安裝兩個電磁轉速傳感器,齒輪轉動時,輪齒每次經過電磁轉速傳感器,流量計發出一個電脈沖信號.根據流量計發出的脈沖數可以測量流體的流量。

齒輪流量計常用的流量計算公式與渦輪流量計一樣,實際使用時也是由頻率與儀表系數求得流量.

齒輪流量計儀表系數的影響因素比渦輪流量計的要少,主要是泄漏量的影響.在結構尺寸確定后泄漏量可近似表示為

ε= α＊ Q+ βQ2/υ   (3)

式中: Q為體積流量,單位: L/s;α與β為與結構尺寸等相關的常數;υ為介質粘度.

由式(3)以及儀表系數的定義可知υ越大泄漏量越小,泄漏量越小對應的儀表系數越大,線性區域也越寬.

3、實驗裝置

液體流量裝置一次標準基本采用質量法、容積法、體積管法等進行流量的測量.從國際油品流量校準設備的發展趨勢看,對測量油品或化學品等介質的流量計的校準,多采用體積管式流量標準裝置.本文所涉及到的實驗均在作者單位3套主動體積管式流量標準裝置上完成,裝置原理一樣,見圖3,區別在于介質粘度與流量范圍.

工作原理:校準前開啟閥1, 2,關閉閥3,由伺服電機通過滾珠絲杠帶動活塞在主動體積管中運動,產生標準流量源(標準流量的大小由上位機軟件通過調節電機轉速進行控制),液體通過閥1流經被校流量計,最終流入油箱.光柵用于測量活塞行程,活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運行時間就得到體積流量,通過比較被校流量計的示值與體積管測量的標準體積流量值實現流量計的校驗.

裝置基本指標如下:

介質:航空煤油(常溫粘度1.7 mm2/s);流量范圍: 0.5 L/min～ 1 000 L/min;相對擴展不確定度:U= 0.05%, k= 2;介質: 15號液壓油(常溫粘度20.0 mm2/s);流量范圍: 0.05 L/min～ 400 L/min;相對擴展不確定度: U= 0.05%, k= 2;介質:4 050潤滑油(常溫粘度60.0 mm2/s);流量范圍:1 L/min～166.7 L/min;相對擴展不確定度: U= 0.08%, k= 2.

4、采用不同粘度介質對兩種流量計校準

本文選取了常用國產渦輪LWGY-15與德國KRACHT公司VC5齒輪流量計為樣本,分別在燃油、液壓油、潤滑油流量裝置上進行了實驗.實驗數據如表1、表2所示.

5、實驗結果分析

從表1與表2的實驗數據可以看出:

1)實驗結果與理論公式得到的趨勢相吻合.渦輪流量計的儀表系數隨粘度增加而減小,線性范圍變窄;齒輪流量計的儀表系數隨粘度增加而增加,線性范圍變寬.

2)粘度對渦輪流量計的影響很大. LWGY系列流量計用于燃油介質時量程比為10: 1時線性為0.2%,但運用于潤滑油介質時線性達7%,且在同樣流量下系數變化達16%.

3)粘度對齒輪流量計的影響相對較小. VC5齒輪流量計用于燃油介質量程比為100: 1時線性為0.4%,運用于潤滑油介質時線性為0.1%,在同樣流量下系數變化最大為0.6%.

流量計采用的建議:

1)高粘度油品流量測量時盡量采用齒輪流量計等容積式流量計,低粘度油品流量測量時可采用渦輪流量計.

2)如果采用渦輪流量計進行高粘度油品流量測量,需采用與實際介質相近粘度的介質進行校準,確保流量測量的準確.