橢圓齒輪流量計(jì)與渦輪流量計(jì)用于測(cè)量柴油等油類流量的比較，本文對(duì)油品流量測(cè)量中使用*為廣泛的兩種流量計(jì)———渦輪流量計(jì)與橢圓齒輪流量計(jì)對(duì)粘度的適應(yīng)性進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn).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(rùn)滑油(常溫粘度60.0 mm2/s)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)兩種流量計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn).比較數(shù)據(jù)得出橢圓齒輪流量計(jì)對(duì)粘度的適應(yīng)性更強(qiáng),渦輪流量計(jì)在燃油介質(zhì)與潤(rùn)滑油介質(zhì)(同上等量點(diǎn))中的儀表系數(shù)差異高達(dá)16%,因此渦輪流量計(jì)進(jìn)行高粘度油品流量測(cè)量需采用與實(shí)際介質(zhì)相近粘度的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn),確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確.
渦輪流量計(jì)與橢圓齒輪流量計(jì)是油品流量測(cè)量中使用*為廣泛的兩種流量計(jì),尤其是渦輪流量計(jì)憑借其價(jià)格低廉、精度高而得到廣泛認(rèn)可,使用者在任何場(chǎng)合都喜歡使用渦輪流量計(jì).
本文從介質(zhì)粘度這上等量計(jì)選型使用的重要依據(jù)出發(fā),理論分析與實(shí)驗(yàn)比較渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性,可以更好地選擇使用這兩種流量計(jì).
1 介質(zhì)粘度對(duì)渦輪流量計(jì)系數(shù)影響理論的分析
圖1所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[3].由圖1可見(jiàn),當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí),在流體作用下,葉輪受力旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比,葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值.檢測(cè)線圈中的磁通量隨之發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì),即電脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大后,送至顯示儀表顯示.渦輪流量計(jì)常用的實(shí)際流量方程為[4]
Q= f/ k (1)
式中: Q為體積流量,單位: L/s; f為流量計(jì)輸出的頻率,單位:Hz; k為儀表系數(shù),單位P/L(每升發(fā)出多少個(gè)脈沖).
通常在使用渦輪流量計(jì)時(shí),通過(guò)測(cè)量流量計(jì)的輸出頻率除以儀表系數(shù)(實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)獲得)得到體積流量.
國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多渦輪流量計(jì)理論流量方程,根據(jù)這些模型可知影響儀表系數(shù)的因素較多,并可對(duì)介質(zhì)粘度對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)的影響進(jìn)行定性預(yù)測(cè),儀表系數(shù)k可近似表示為[3]
式中:α,β,γ為與結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù);υ為粘度;Q為流量.
由式(2)可知:結(jié)構(gòu)相同的情況下,粘度增加其阻力矩增加,使得儀表系數(shù)減小,且儀表系數(shù)的線性區(qū)域減小.
由于渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系,還不能用這些理論公式推導(dǎo)儀表系數(shù)得到定量的數(shù)據(jù),儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定[4].
2 介質(zhì)粘度對(duì)齒輪流量計(jì)系數(shù)影響的理論分析
橢圓齒輪流量計(jì)屬于容積式流量計(jì).齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2.其工作原理為:流體在上游的壓力作用下進(jìn)入流量計(jì),推動(dòng)一對(duì)嚙合的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng).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(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,輪齒把流動(dòng)的液體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)的體積單元,每個(gè)體積單元等于兩個(gè)輪齒的容積.齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距的角度,排出等于兩個(gè)輪齒容積的流體體積.在殼體上蓋對(duì)應(yīng)測(cè)量齒輪分度圓處安裝兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)速傳感器,齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪齒每次經(jīng)過(guò)電磁轉(zhuǎn)速傳感器,流量計(jì)發(fā)出一個(gè)電脈沖信號(hào).根據(jù)流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)可以測(cè)量流體的流量[6].
齒輪流量計(jì)常用的流量計(jì)算公式與渦輪流量計(jì)一樣,實(shí)際使用時(shí)也是由頻率與儀表系數(shù)求得流量.
齒輪流量計(jì)儀表系數(shù)的影響因素比渦輪流量計(jì)的要少,主要是泄漏量的影響.在結(jié)構(gòu)尺寸確定后泄漏量可近似表示為[2]
ε= α＊ Q+ βQ2/υ (3)
式中: Q為體積流量,單位: L/s;α與β為與結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)的常數(shù);υ為介質(zhì)粘度.
由式(3)以及儀表系數(shù)的定義可知υ越大泄漏量越小,泄漏量越小對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)越大,線性區(qū)域也越寬.
3 實(shí)驗(yàn)裝置
液體流量裝置一次標(biāo)準(zhǔn)基本采用質(zhì)量法、容積法、體積管法等進(jìn)行流量的測(cè)量.從油品流量校準(zhǔn)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)看,對(duì)測(cè)量油品或化學(xué)品等介質(zhì)的流量計(jì)的校準(zhǔn),多采用體積管式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.本文所涉及到的實(shí)驗(yàn)均在作者單位3套主動(dòng)體積管式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成,裝置原理一樣,見(jiàn)圖3,區(qū)別在于介質(zhì)粘度與流量范圍.
工作原理:校準(zhǔn)前開啟閥1, 2,關(guān)閉閥3,由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)活塞在主動(dòng)體積管中運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源(標(biāo)準(zhǔn)流量的大小由上位機(jī)軟件通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制),液體通過(guò)閥1流經(jīng)被校流量計(jì),*終流入油箱.光柵用于測(cè)量活塞行程,活塞行程與活塞截面積的乘積再除以運(yùn)行時(shí)間就得到體積流量,通過(guò)比較被校流量計(jì)的示值與體積管測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)體積流量值實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的校驗(yàn).
裝置基本指標(biāo)如下:
介質(zhì):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(duì)擴(kuò)展不確定度:U= 0.05%, k= 2;介質(zhì): 15號(hào)液壓油(常溫粘度20.0 mm2/s);流量范圍: 0.05 L/min～ 400 L/min;相對(duì)擴(kuò)展不確定度: U= 0.05%, k= 2;介質(zhì):4 050潤(rùn)滑油(常溫粘度60.0 mm2/s);流量范圍:1 L/min～166.7 L/min;相對(duì)擴(kuò)展不確定度: U= 0.08%, k= 2.
4 采用不同粘度介質(zhì)對(duì)兩種流量計(jì)校準(zhǔn)
本文選取了常用國(guó)產(chǎn)渦輪LWGY-15與德國(guó)KRACHT公司VC5齒輪流量計(jì)為樣本,分別在燃油、液壓油、潤(rùn)滑油流量裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示.
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
從表1與表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:
1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式得到的趨勢(shì)相吻合.渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)隨粘度增加而減小,線性范圍變窄;齒輪流量計(jì)的儀表系數(shù)隨粘度增加而增加,線性范圍變寬.
2)粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響很大. LWGY系列流量計(jì)用于燃油介質(zhì)時(shí)量程比為10: 1時(shí)線性為0.2%,但運(yùn)用于潤(rùn)滑油介質(zhì)時(shí)線性達(dá)7%,且在同樣流量下系數(shù)變化達(dá)16%.
3)粘度對(duì)齒輪流量計(jì)的影響相對(duì)較小. VC5齒輪流量計(jì)用于燃油介質(zhì)量程比為100: 1時(shí)線性為0.4%,運(yùn)用于潤(rùn)滑油介質(zhì)時(shí)線性為0.1%,在同樣流量下系數(shù)變化*大為0.6%.
流量計(jì)采用的建議:
1)高粘度油品流量測(cè)量時(shí)盡量采用橢圓齒輪流量計(jì)等容積式流量計(jì),低粘度油品流量測(cè)量時(shí)可采用渦輪流量計(jì).
2)如果采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行高粘度油品流量測(cè)量,需采用與實(shí)際介質(zhì)相近粘度的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn),確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確.
