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涡轮流量计标准航空煤油流量检定的选型及直管

发布时间:2020-06-01

在分析标准表法液体流量标准装置基本工作原理的基础上对装置结构进行了设计,重点对涡轮流量计的选型以及前后直管段的长度确定,不同温度下3# 航空煤油的黏度对于直管段要求不同,直管段的合理选择是涡轮流量计计量准确与否的前提。并确定流量计、温度变送器、压力变送器的选型方案,给出了装置仪表的检定实验结果。并且通过现场试验来验证装置的可行性,为标准表法流量标准装置的实施与推广提供依据。
引言
      标准装置按计量器具可分为称重法、容积法和标准表法[1]。其中标准表法是利用流体力学连续性原理将标准表和被检表串联连接,用标准表和相关的温度、压力等仪表给出标准累积流量,然后与被检表的累积流量比较,确定被检表的技术指标。标准表法流量标准装置相对其他标准装置有结构简单、工作效率高、操作简单等突出优点,特别是可以给出更宽的流量范围[2]。
      标准法液体流量标准装置中最重要的仪器就是标准表,本装置中选用涡轮流量计做为标准表。自20 世纪50 年代末起,国内外学者对涡轮流量计的性能影响做了大量的实验,并先后提出了涡轮流量计的理论模型,其中以Thompson[3] 提出的模型最具代表性。吴国玢等[4] 在Thompson 模型的基础上理论预了黏度对涡轮流量计性能的影响。国内外对于流量仪表检定装置开展了深入研究。Roger C.Baker等[5] 基于容积法设计了电子校准系统,虽然其准确度能满足,但仍属于传统的容积校准法,并且存在较大的噪声,对于大流量的航空煤油校准装置并不适用。关于涡轮流量计的校准装置,Grady H.Stevens[6]采用压差式流量计校准涡轮流量计,同时对流体添加正弦扰动,通过一段直管段运行平稳后进入差压式流量计,进而得出不同的流量值进行比较。这种校准方法可以认为是标准表法的一种,其重复性强,比较实用,但其准确度不高,对于高准确度要求的航空煤油流量装置的检定无法满足要求。国内外关于校准装置的研究主要集中在传统的质量法和体积法[7]。传统的校验方法无法满足对高准确度仪表的检定。对此,有国内学者实现了突破,采用标准体积管法,能实现对测量准确度的要求,但其测量范围较小,并且没有对标准装置的动态性能做出研究。流量计量经过长期的发展,已经应用在各个领域。涡轮流量计因具有准确度高、响应快、测量范围宽等优点,国内外学者对其开展了大量的实验及仿真研究[8],深入了解它的特性,创造更高准确度的涡轮流量计来作为标准装置的标准表来检定待测流量计。由于黏度对涡轮流量计性能的影响较大,涡轮流量计作为标准表大多应用于气体流量的计量,对于低黏度的液体计量,涡轮流量计同样有着较高的准确度。本装置就是运用涡轮流量计作为标准表的标准装置对3# 航空煤油进行流量计量。
1 涡轮流量计测量模型
      涡轮流量计是一种速度式流量仪表,它以动量守恒原理为基础。流体冲击叶轮,使叶轮旋转,叶轮的旋转速度随流量的变化而变化,根据叶轮转速求出流量值。根据二元流动模型,从流体力学基础理论出发,运用二元边界层理论和叶栅理论提出涡轮流量黏性摩擦阻力矩和驱动力矩的理论模型:
 
      式中,涡轮流量计在理想的工作状态下,涡轮流量计的仪表系数K 是常数,其物理意义就是单位体积qv 的脉冲数f,如式(1)所示。但实际工作中涡轮流量计的工作状态并非理想的工作状态,被测流体通过叶轮时会产生以下几种力矩:进入涡轮流量计的流体对涡轮叶片产生的推动力矩Tr,由于叶轮轴与轴承摩擦而产生的机械阻力矩Trm,被测流体通过涡轮流量计叶轮时对叶轮产生的流动阻力距Trf,涡轮流量计中电磁转换器对涡轮流量计叶轮产生的电磁力矩Tre。根据牛顿运动定律,可以推算出如式(2)的涡轮流量计叶轮的运动方程。根据涡轮流量计叶轮进出口速度三角形分析计算,可得出如式(3)的涡轮流量计的测量模型,其中Z 为叶轮流量计的叶片数, 为涡轮叶片的结构角。以上是涡轮流量计的测量模型,可以定性地描述涡轮流量计的基本特性。
2 装置的结构设计与分析
      2.1 标准表法流量标准装置的结构设计根据加油机的计量检定规程,加油机流量计需要定期去检定部门检定仪表的准确度,检定过程中仪表的运输需要耗费很长的时间、精力以及财力。本装置设计的初衷是为计量检定部门制造出便于携带、可移动的标准装置,为计量检定人员对机场加油机流量检定时节省一定的时间和精力。标准表装置的出现可以大大节约检定所需要的时间成本。根据检定现场的需求,标准装置的长度不能大于1.5 m。标准装置中标准表选用的是高准确度的涡轮流量计。
      涡轮流量计计量准确的前提是在涡轮流量的前后端要保持足够的直管段,直管段是被测流体进入涡轮流量计之前流动状态稳定均匀的前置装置。

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