容积式流量计的误差特性及影响因素.pdf

1、航空计测技术容积式流量计的误差特性及影响因素王兴才t(哈尔滨锅炉有限责任公司,黑龙江省哈尔滨市,1 5。40)王力勇(哈尔滨市技术监督局,黑龙江省哈尔滨市,1 50000)Er rorChara eteristie s and E ffectFa etorsontheVolumetyPeF lowmete rWangXinge ai,Wangl矛iyong摘要叙述了容积式流量计的工作原理、种类及误差特性;分析探讨了差压、流体的物性等对误差特性的影响,并给出了有关的计算公式。最后指出在精确测量时必须对其示值进行温度、压力修正,以获得准确值。关键词容积式流量计原理误差Abstra etTheope

2、 r atio nalprineiple,thekindsandthee r roreha r a ete ristie sforthevolumetypeflowmete ra r ede s e ribed.Aneffe etofadiffe r entialPr e s s u r eandfluidone r r o reha r a ete ristie s15analyzedanddiseussed,andthee omputational formula15given.Atla st,inorde rtoat tainthepreeisio nv alu es,itmu stbe

3、ne e e s s a ryforindie atedv alue sofitstemPe r atur eandPr e s s u r etobeeor r e eted.Key wo rdsVolumetypeflowmete r,Prineiple,Er ror s引言容积式流量测量的方法,是具有很长 历 史的测量方法。它利 用测量元件,把 流经仪表内的流体,分隔 为单个的固定容积部分,并连续不断地排出。其测量原理类似于一种 标准容积的容器,连续 地对流体流动的介质,进行固定容积的测量和计算。所以,容积式 流量计是一种采用容积累加方法进行流体流量测量的仪表。容积式流量计的种类较多,按

4、其测量元件形 式和测量方式可分为:腰轮流 量计、刮板流 量计、椭圆齿轮流量计、罗茨流 量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、薄膜流量计、转筒流量计、皮囊流量计和湿式流量计等。容积式流量计,具有对上 游流动状态 变化不敏感,测量精度高等特点,量程比为1,1 0时,精度为0.5%;量程比为1,5时,精度可达。.2%。根 据使用需要,可采用特 殊的耐高 温、高压 等结 构,安装 方便,容 易做到对流量检测的就地指示和远传。1容积式流量计的流量一误差特性对流量计来说,了解其流量一误差特性是重要的一环。因了解流量计误差之后,能够在流量计的指示值上加 上它 的误差修正值,从而可求得流量 计量

5、的正确值。在大多数的情况下,流量计的误差都是 随流量的不同而数值不同,而容积 式流量计则不 同,对此进行分 析研究。容积式流量计的测量原理 如前所述,是 在 一定的空 间里充满的流体,随流量计内部的 运动容积计量 部件的移动而 被送出出口,在这个 过程 中,流体一次次地充满流量计的空间,然后又 不断地被送 往出口。测量这种送出流体的次数,就可求出通 过流量计的流体体积的累积值。如果流量计的容积计量部件的单元容积为vm3,运动容积计量部件通过与部件运动方向相垂 直的某一固定平面的次数为N。则在N次动作的时间内流过的流体体积V为V=Nv(1)一定 时间 内运动部 件所 作 的动作 次数N,通过齿轮

6、传动机构,使刻度盘上的指针转动,由此显示通过流19 9 6一04一2 4收稿t4 8岁男高级工程师读者服务卡索引号:20 91 9 9 7年 第1 7卷第2期量的体积。若通过体积的指示值为I,则有关系 式I=aN(2)式中,a为流量计齿轮传动比,常数。由(l)式和(2)式可得V一Iv/a(3)容积式流量计通过体积的测量误差E,通常表示为E=(I一V)/I(4)将式(3)代人式(4)得E=1一v/a(5)由式(5)可知,容积式流量计的误差特 性仅与流量计内部的容积计量部件的容积v、仪表齿轮比常数a有关。所谓 的流量一误 差 特性,就 是 指流量计的误差值与流量测量值之间的关系。讨论误差特性,就是

7、讨论和研究测量误差值,随流量测量值变化而变化的趋势。从式(5)中得 知,容积式流量计的测量误差仅 与流量计的几何结构有关,而与流体性质和流量值无关。这种状态下,就是人 们所称的,理想的容积式流量计的误差特性。其理想的误差 曲线如图1所示。然而,对容积式流量计进 行实际标定和试验结果,真正 的误差曲线如图2所示。图2容 积式流量计误差特性 曲线1一理想的容积流量计误差特性曲线;2一实际的容积流量计误差特性曲线。(+)误差(一、图1理想的容积流量计误差特性 曲线从图2中可看出,在流量较 小时,误差 急剧地向负方 向倾斜,随着流量的增大,误差值逐渐 减 小,直至稳定在某一定值上,误差 曲线平行于横轴

8、,使得误差趋于零。流量 继续增加,误差值又逐 渐偏大,并向负方 向偏移。实际的误差特性 曲线所以呈现这种变化趋势,是因为有些流体,通过运 动部件和外壳之间的 间隙,流体直接从输天石流至出口。也 就是流量计中存在着不可避免的泄漏或 漏流现象。在这种情况下,讨论分析容积式流量计的误差特性,就必须考虑漏流 的因素误差。假定在单位时 间内,流体的漏流量 为q,通过流量计的流量为q v,通过流量计的总的流体体积为V,在这一段时 间内总的漏流体积量为V,故V可表示 为V=gV/qv(6)所以,当存在漏流 时,流量计所排出的体积为N个v时,其实际通过流量计的流体体积为V=Nv+V(7)将式(2)、(6)代人

9、式(7)可得V一I/av+q(V/qv)=Iv/(a(1一,/qv)(8)将式(8)代人误差定义式(4)可写成E=1一v/(a(l一q/qv)(9)从式(9)中可知,流 量计的单元体积v、齿 轮比常数a均为定值,所以流量 累积误差E,仅和单位时间 里的漏流量q有直 接关系。而在图2中可以看出,当误差值逐渐由负方向 向正 方向移动,并稳定在某一定值后,随着流量qv的继续增加,正 向误差值,将再次向负方向发展,很明显式(9)的关系式并不能进行 解释,以下将 继续讨论、分 析影响流量计流量一误差特性的其它因素。2压力损失特性影响为了克服流量计机 械摩擦阻力,克 服流体流动时由粘滞力 引起的阻力,以及

10、克 服流体流动时的流动阻力等,其进出口之间必然会产生一定的压力差,通常将这个压力差称为流量计的压力损失。大多数容积式流量计压力损失较 大,这种压力 损失对流量计的误差特性有着 较大的影响。随着流量的增加,通 过流量计的流体速 度也增 加。从流体力学可知,粘滞力 引起的流 动阻力随流速的平方增加。在容积式流量计中,由于流体的流动推动运动件 动作。因此,流量增加,流量计的运 动件的运动速度增加,产生 的机械摩擦阻力相应增加。其结果引起流量计的压力损失也相应增加。图3给出了气体与液体两种流量计压力损失和误差与流量的关系。航空计测技 术LO.L次翎叫垂 油锭子油1.5MPa0.1MPa二O.1.流量m

11、“/h10020 030 040 0500流量m3/h05050100110欲翎醚一1.0重油1 60 0土艺U OMPa300020 0010 0 0锭子油:器MPa51一量1.氏一一流门d米革长田叱山只闺水呢3哎5流量m,/h(a)测 油1 0020 030040050 0m3/h(b)测气图3容积式流量计误差特性和差压特性在容积式 流量计中,由于流体的流动 推 动运 动件动作,要完全消 除这种 动作产生的机械阻力,目前很难达到。因此,对于给定的流量计,产 生漏流的间隙是一定的。分两种情况来分析、讨论流量计漏流量q与流量的压力损失之间所具有的关系。第一种情况。流量计的漏流间隙很 小,而且在

12、粘度较高 流体中测量 时,其间隙的漏流可以认为是粘性流动,此时漏流量可表示为q=K,P/刀(10)式中,Kl系数,常数;尸运动件的人、出口间的压力差Pa;专工 作状态下,被测 流体的动力 粘 度kgS/mZ。被测介质为流体时,通 常用式(10)计算流体的漏流量。第二种情况。流量计的漏流间隙较大,而且在粘度较低流体中测量 时,其间隙的漏流 可认为是不受 粘度的影响,此时漏流量可表示为口=KZ(P/尸)/2(11)式中,KZ系数,常数;p流体的密度kg/m3。被测介质为气体时,通常用式(11)计算流体的漏流量。不管是式(10),还是式(11)两种 情况的 流动,以及它们 之间的中间状态的流动,压力

13、差尸越大,漏流也就 越大,这样 就可对图2中的误差 曲线后半部的下降作出解释:随着 流量 的增 大,流量计的进出口之间压力差也增大。因此流量计的漏流量 就增加,误差曲线向负方 向偏移。从以上 分析可知,为减小漏流量,要求流量计的压力差尽量小些 为好,如果能满足这种要求,就可获得较理想的误差特性。例如:图4是利用 同一个容积(十)掖驻(一)图4误差曲线随压力损失改变而变化的情况式流量计,改 变运 动件的机 械阻力而求出的压力损失和误差 曲线。其图是按压力损 失大小的次 序而作,图4中所示1,2,3曲线表明其变化,当漏流量为零时,则可得到近似于理想曲线4的结果。运动部 件的机械摩擦阻力 是引起流量

14、计压 差 的各种阻力中的主要一个。图5反 映被测介质为水的两个不同机 械摩擦阻力 的流量计的误差特性和压 差特性。从以上分析和 图5的曲线可见:机 械摩擦阻力大的流量计,随着流量的增加,误差 曲线向负 方向倾斜比较快,也比较 明显;反 之,机 械摩擦阻力 小的流量计,误差曲线随流量增加向负方向倾斜比较慢,不太明显。即在流 量增 加到一定数值以后,误差基本不随 流量 变化而改 变。所以,减少 容积式流量计运动部件的机械摩擦阻力,可以改善容积式流量计的误差特性。为了对流体的精密测 量,研制了伺服式 容积流量计,从原理上来讲,几乎完全可以消除泄漏,其工 作 原理如 图6所示。在仪表的压差被 检出后,

15、通过微差压 变送器和伺服放大器,以控制伺服电动机转动,伺服电机1 9 9 7年第17卷第2期欲验翎050110次咄翎吮.2700 013 0 0 0。山水照只田一0.5一lO2 70 0 0130 0 0书。】1 1/n目d水嚓长田图5不同机械摩擦阻力流量计的E一qv曲线和P一q v曲线(被测介质为水)(a)机械摩擦阻力较大(b)机械摩擦阻力较小价价宁飞飞飞飞飞飞l l l 胜01 1 1 1 1沪产产飞飞 象、易易易易图6伺服 式计量表工作原理l一微差压 变送器;2一伺服放大器;3一伺服电动机;4,5一减速装置;6一累积计数器;7一测量室转 速快慢 受流体进出口压力 差信号控 制,进出口压

16、力差增大,伺服电机转速 就增加,使流体的排量加大,其结果又使流体压 力差下降。在整个工作过程 中,压差基本接近为零,使彝流减少到最小。势必可获得与介质粘度无关的高精度计量。该流量计亦称无差压驱动容积流量计,不论测量 液体还是 气体,从原理 上讲,由于没有漏流,其误差特性很接近于理想误差特性。这种 流量计已用于测量 液体的微小流量,在10 0cm3/h以下,其测量精度 在士0.5%以内。3流体粘度、密度对误差特性的影响容积式流量计要精 确测量管路中的流体体积,有必要对流体的粘度、密度对流量一误差特性的影 响加以研究。由于漏流是容积式流量计误差产生的原因。所以,在研究粘度、密度对误差特性影响时,主

17、要研究二者对漏流的影响。由前所述的漏流关系式可知,对于液体介质,可 主要 考 虑流体的粘度 影响;对于气体介 质,可主要考虑流体的密度影 响。3.1粘度影响流体粘度对漏流量q的影响具有 两重性:第一,当流体粘度增大时,流量计内的流动阻力增大,导致进出口间压 力 差增 加,对于相 同 的漏流 间隙,漏流量 增加。第二,当流体粘度增大 时,对相 同的漏流间隙来说,漏流量将减少,式(10)也很明显地反 映了这一点。该两重性 是相互 逆 向的。所以,总 的来说,粘度对误差特性影 响较小。测量精度低于1%时,可以不考虑粘度的影响;但在高精度测量时,就 必须考虑这种影响。将式(10)代人式(9)可得到误差

18、特性E=1一v/(a(1一 KIP/(qv夕)(12)然而,若流量变大,也就是q远小于qv时,有K,尸/(qv帕1,故可认为在大流量范围 内上式可写为E=1一v/a一vKIP/(a qv夕)(13)从式(13)可以断定 在 同一 流量 时,同一流量计相应于各种不 同粘度流体的误差是和尸勿成线性关系。由实验证明:由于粘度具有两重性,由它引起的进出口压力 差增加,导致漏流增大 的影响可以忽略。一般说来,容积式流量计中,这不是一个大问题。因此,当流体粘 度甲变化时,流量计的测量误差E与1勿成线 性关系,即粘 度增 加,漏 流量减 少,流量计误差特 性 曲线向正方向偏移,图7是使用同一流 量计测量不

19、同粘度流体得出的误差特性曲线。3.2密度影响航空计测技 术1.1.二O.1.一10图7不 同粘度流体的误差特性曲线一1.5一2.0式(11)是被测介质 为气体时,漏流量的计算公式,漏流量q与压力 差尸的平方根成正比,与密度的平方根成反比,在气体流量测量 时,流体密度对误差特性的影响,可将式(11)代人式(9)得出误差特性表示 式E=z一v/(a(l一(Kl/叮v)(p/产)/2)(1 4)同理,在大流量范 围内,即q/qv1时,式(14)可以导出下式E=1一v/a一vKI/(a qv)(p/尸)/2(15)该式的意义是:对于同一流量条件下,误差E与(尸加)/2成线 性关系,如果尸为 一定值,E

20、和(1/川/2是线性关系。同样可以认为,当气体密度 增大时,它所引起的漏流量q增加的影 响可以忽略。图8反 映了不同密度的气体通过 同一流量计时,对误差特性曲线E的影响。从图8可看出,气体的密度增大,漏流减少,误差特性E向正方向偏 移,即向流量计理想误差特 性 曲线偏 移。4结束语容积式流量计是流量测量仪表家族中的一个重要组成部分,了解了该仪表的工作原理和误差特性后,对于提高其流量检测精度是非常有益 的;但如果使用不当,也不会得到理想的结果。传统的容积式流量计,虽具有很 高的计量精度;但它们有一个共同的弱点,即要求流经流量计的介质相当清 洁,介质 中固体颗粒不 得大于各计量 零件间所存在 的最

21、小 间 隙,否则将会造成流量计的卡死或因磨损而很快损坏。故要求在流量计的上游侧安装过滤器,过滤网的目数应根据流体情况和流量进行。在计量检测过 程中,对容积式流量计的使用温度,也需加以注意,特别是作为标准 流量计用 的容 积流量计,必须对它的示值进行温度、压力修正。其压力、温 度修正公式为图8不 同密度气体的误差特性曲线,=g,月/(l+t风(t一t。)+月w(t一t。)一Fw(P一P。)(1 5)式 中,外流量计在标准状态下的体积流量m3/h;q t夕流量计在工作参数下 的体积流量m3/h;尸工作流体的压力P a;t工作流体的温度口C;t。标准状态的流体温度。C;尸。标准状态的流体压力Pa;风

22、流量计材质的温度修正系数1/;丙工作流体的温度膨胀系数l/oC;Fw工作流体的压缩系数1/Pa。流量计材 质的温度修正系数可从表1查得;水的温 度膨胀系数可从表2中查得;由于压缩 系 数的倒数称 为体积弹性系数,用Z表示。那么水的压缩 系数可从表3中查得。表1流量计材质的温度修正系数流量计材质温度修正系数月,1/铸钢000 0 0 3 6铜合金0.0 0 0054不锈钢0.00 0 048从表3中可见,水的体积弹性 系数值相 当大,在工业上常用的 油类 也是如此,这 一类的流体称为不可压缩性流体。通常,液体均可看作不可压 缩流体,而把气体看作是可压缩性的流体。199 7年第1 7卷第2期表2水

23、的热膨胀系数甲X1 0)一口.,.目TKP又1 05Pa2 7 428 32832933 1 33 233 3 33 4 33 6 33730.9 8 198.11 9 6.2表3水的体积弹性系数(Z只1 09P a)温度K51.8 51.891.9 11.931.94压力尸X1 0”Pa1 0204080庄占nJ Q 口朽J勺了切日n,1 1土.,.lq 白n乙O 乙八乙1一产1直尸为只O U口O曰0C C.,1IC乙口0 乙Rn口7.0口弓只OJOn自.111IJI夕一八卜1OJ 叹UQ 曰n凸OJC 曰O口OJ;,li e sl飞.孟2 732782832 8 829 3随着电子技 术的

24、发展,现 场使用 的数字显示式的表头,将用于容 积式 流量计,给其精度 的提 高 带来 活力,并使它成为一个新的门类。参考文献1川田裕郎等著.罗秦等译.流量测量手册.北京:计量出版社,1 9 8 2苏彦勋等著流量计量.北京:计量 出版社,1 9 9 1朱德祥等著.流量仪表原理和应用.上海:华东化工学院出版社,1 9924杨根生等 著.流量测量仪表.北 京:机 械工业出版社,1 98 65苏彦勋等著.流量计量 与测试.北京:中国计量出版社,1 99 2航空计测技术读者服务卡姓名:职务:职称:单位:电话:地址:邮编:1 9 9 7年第1 7卷第2期口口口口口 口口口口A索取详细技术资料:B索取 产品价目表:C希望与厂商洽谈:附言:其 它:请把您 感兴趣的文章、广告、产品等信息 的索引号填在上列空格内,将 卡片(也可复 印或抄写)寄往北京 市106 6信箱(10 00 95)航空计测技术杂志社,我社将热诚为您服务。您对本刊的要求、意见和建议,请附言。