容积式流量计的误差特性及影响因素.pdf

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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,15。

40）王力勇（哈尔滨市技术监督局,黑龙江省哈尔滨市,150000）ErrorCharaeteristiesandEffectFaetorsontheVolumetyPeFlowmeterWangXingeai,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AbstraetTheoperationalprineiple,thekindsandtheerroreharaeteristiesforthevolumetypeflowmeteraredeseribed.AneffeetofadifferentialPressureandfluidonerroreharaeteristies15analyzedanddiseussed,andtheeomputationalformula15given.Atlast,inordertoattainthepreeisionvalues,itmustbeneeessaryforindieatedvaluesofitstemPeratureandPressuretobeeorreeted.KeywordsVolumetypeflowmeter,Prineiple,Errors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1,10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,通过齿轮传动机构,使刻度盘上的指针转动,由此显示通过流1996一04一24收稿t48岁男高级工程师读者服务卡索引号:

2091997年第17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,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qv,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“/h100200300400500流量m3/h05050100110欲翎醚一1.0重油1600土艺UOMPa300020001000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100200300400500m3/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,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1997年第17卷第2期欲验翎050110次咄翎吮.2700013000。

山水照只田一0.5一lO2700013000书。

】11/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qv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lll胜011111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100cm3/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/（aqv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）（14）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/（aqv）（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。

）（15）式中,外流量计在标准状态下的体积流量m3/h;qt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Pa;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0000036铜合金0.000054不锈钢0.000048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。

1997年第17卷第2期表2水的热膨胀系数甲X10）一口.,.目TKP又105Pa2742832832933133233333433633730.98198.1196.2表3水的体积弹性系数（Z只109Pa）温度K51.851.891.911.931.94压力尸X10”Pa10204080庄占nJQ口朽J勺了切日n,11土.,.lq白n乙O乙八乙1一产1直尸为只OU口O曰0CC.,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;,liesl飞.孟273278283288293随着电子技术的发展,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,1982苏彦勋等著流量计量.北京:

计量出版社,1991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,19924杨根生等著.流量测量仪表.北京:

机械工业出版社,19865苏彦勋等著.流量计量与测试.北京:

中国计量出版社,1992航空计测技术读者服务卡姓名:

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