如何理解涡轮流量计的液体计量控制系统计量的不确定度问题

涡轮流量计是人们常用的一种流量测量仪表，由于它具有重复性好、适应性强、量程比宽等优点，加上智能化显示控制仪表的出现，在准确度要求较高的计量场合得到了**的采用。虽然近年来出现的科里奥利质量流量计能直接测量流体的质量，且准确度高，但价格昂贵，安装要求较高，阻碍了它的应用。这样，用涡轮流量计间接测量液体的质量流量就成为人们**方案之一。这里首先说明一下，储罐液位的高度不同，流过流量计的流量也不同。如果液体有几m的高度差，瞬时流量就有较大的变化，以致使计量大大超差。当选用精度为0.5%的涡轮流量计时，如何保证计量要求的精度（不大于0.3%）呢？从下文可以看出，涡轮流量计的精度是表示流量变化范围内的流量系数的变化大小，那么要准确测量液体流量就有两种方法：**种方法是固定通过涡轮的液体流量（即恒定流速法），这种方法构成的计量系统安装量大，但检定很容易；第二种方法是根据流量的不同来修正流量系数，这种方法虽然安装量小，但检定比较麻烦，因为要根据储罐内液面的不同高度，来确定几个流量系数，以精确计算流量。下面详细介绍**种方法。
 

 

1、涡轮流量计的工作特性

1.1工作原理

涡轮流量计是利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度的流量计，与流量成正比的叶轮转速通常由安装在管道外的检测装置检出，它由涡轮流量传感器和显示仪表组成。

流经变送器的流体体积流量qv可用下式表示：
qv=f/K   （1）

式中：f为电信号的频率，它同叶轮转动频率有正比关系；K为常数，亦称仪表系数。

式（1）也可改成

K=f/qv

由上式可看出，仪表系数K是变送器输出电信号的频率f（次/s）同流经仪表的液体体积流量qv（L/s）的比值，K的单位是次/L。输出频率信号的流量计都有仪表系数这一特征常数，它能帮助了解和掌握仪表性能，同时也对流量仪表的检定有重要意义。

1.2工作特性

K-qv的关系曲线称为涡轮流量计的特性曲线如图1所示。

理论上，K-qv关系应该是确定的，但实际上由于在不同的流动状态下，流体产生阻力机理不同，效果也不同，所以使特性曲线成为曲线形状。

在层流区，当qv＞qmin时为层流流动状态，仪表系数K将随流量qv的增加而增大。

在紊流流动状态下，仪表系数K仅与仪表本身结构参数有关，而与流量qv、流体粘度μ等参数无关，可近似为一常数。只有在这种状态下，仪表系数K才真正显示了常数的性质。仪表系数K为常数的这个区间，也就是该流量计的流量测量范围。

图1中虚线为涡轮流量计的理想特性，若只有这种特性，不论流量如何变化，总可以使累积流量、瞬时流量的误差为零。图1中实线为一般涡轮流量计特性曲线的大致趋势，在进入测量范围（即进入紊流流动
状态）以内，随流量的变化其仪表系数K也会有变化，通常其变化幅度左右流量计的测量精度。

在层流与紊流叫交界点（Re=2300）上，特性曲线上K有一个峰值，其位置受流体粘度的影响较大。

由图1可以看出，如果流速恒定，那么系数K也就有唯一确定的值。下面提出通过恒定液位（即系统压头）的方法来恒定流速，构成一个恒流速计量系统。
 

2、液体计量控制系统

2.1系统构成

2.2各部分说明

涡轮流量计：由于这里涡轮流量计是用于发货计量，所以应选择较高的精度，如0.5%～0.1%，由于它的再现性可达0.05%，所以即使选择0.5%精度的，系统的计量也可望达到很高的准确度。

显示控制仪：现在有不少的流量显示控制仪，它不仅能够显示流体的瞬时流量和累积流量，还可实时检测流体温度，对流量进行温度补偿，同时当累积流量达到某一设定值时，发出控制信号，以关闭电磁阀和流量泵。

高位槽：也称高位溢流槽，它通过溢流堰板保证高位槽液面的恒定，这样可保证整个液体流程中的压头一定，那么流体的流速也就一定，从图1中可以看出，瞬时流qv一定时，仪表系数K也就有唯一确定的值。

温度计：用于质量流量计量时的密度补偿。因为在用实流标定流量计时，总是在某一温度下进行，那么偏离这一温度的流量计量也就存在着较大偏差，通常通过检测实际温度来补偿这一偏差。这里要选择反应时间很短的热电阻，以及时有效地进行补偿，因为有些液体不仅不同批次温度不同，就是同一次发货，刚开始的一段时间与其后的温度也大不一样。
 

3、系数的确定

计量系统的校验分两项内容，**是对系数K的确定，第二是对系统温度补偿的有效性进行评定。液体的密度ρ是温度t的函数，在一定的温度范围内，可用二次多项式来表示，也可通过回归法求得函数式ρ=f（t），都能得到较好的拟合效果。当然温度补偿的有效性如何，还要通过校验来证明，这个工作可以在实验室内进行。

系数K的确定方法：首先以涡轮上的系数记为K输入显示控制仪表，把标定所用的流体重量设定为Gm；启动流量系统；然后把计量过的流体用汽车衡或磅秤称重，其值设为Gm。这时的流量系数K可通过下式计算出来：

K=KGm/Gm   （2）

把K值输入显示仪表，再计量重量Gm的液体，通过称量法来校对是否超差。

确定系数K时所用的流体重量要大于1～2t，以减少其它因素对计算K值的影响。当发货的批量较少时，如几十kg，这时的计量可能超差，这主要是由于电磁阀不能及时关闭造成的，有的显示控制仪对此有特别的考虑。

实际上，其它输入频率信号的流量计，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、涡轮流量计等都可以用式（2）来确定流量系数。
 

4、系统计量的不确定度

此系统的计量误差来源由以下几项：

流量系数的重复性误差：δ1=0.05%；

流量显示仪表的误差：接受频率信号的流量仪表，其积算精度一般可达0.1%，这里取δ2=0.1%；

系数标定时所用衡器的误差：δ3=0.1%；

由于温度不能完全有效补偿而引入的误差；这个误差通常很小，在此不予考虑。

用方和根法合成的总不确定度为

这个结果用于贸易结算的计量是完全符合要求的。