氦气流量测量中使用转子流量计有哪些问题

作者: clcc123 日期: 2018-07-10 20:02:55 人气: - 评论: 0

1、简介
1.1、(浮动)子流量计的1个特性及其应用
  旋转(浮动)子流量计是常用的气流测量装置。它结构简单,使用维护方便,对仪器前后直管长度要求低,压力损失小,测量范围宽,运行可靠,适用性广。和其他特性,但其流动特性容易受到流体粘度,密度等的影响。也就是说,相同的转移(浮动)子流量计,当在不同的介质条件下用于相同的体积流量测量时,可以获得不同的测量结果,从而导致测量误差。
  气体传输(浮动)子流量计的校准通常由空气校准[1]给出。因此,当使用它来测量其他气体介质的流量时,必须正确校正仪表刻度。在这方面,当介质的粘度相似且密度不同时的流量校正公式被给出作为不同介质之间的流量转换方法的参考。公式并不复杂,但要理解公式的背景并灵活掌握应用并不容易。
1.2、提出2个问题
  航空航天模型通常使用氦气,氦气是自然界中密度最低的惰性气体。在评估某些部分时对于性能指标,需要氦气流量计来测量氦气流量。
  关于旋转(浮动)子流量计的氦流量的校准,一些意见主张使用空气验证,然后根据[2]的方法将空气流量值转换成氦气的流量。然而,当我们分别用空气和氦气校准/校准旋转(浮动)子流量计时,我们发现通过根据该方法校正气流比例获得的氦的理论计算结果与实际氦气流量很大不同。
  为了解释这个问题,我们选择LZB-10型气体转子流量计,首先用空气检查,空气校准流量合格,然后用氦气介质校准五个刻度点的氦气流量。在相同比例下获得的氦气流量和空气流量的测量值,简单密度校正后的氦气流量的计算值,以及文献中的理论密度校正系数和实际综合校正系数[2]校正方法进行了比较。中的数据。

从表1可以看出:
a)实际的氦气流量和气流量不遵循[2]中描述的简单密度校正关系(即,实际综合校正因子不等于理论密度校正因子);b)实际综合修正系数小于理论密度修正系数,即实际氦气流量小于简单密度修正后得到的理论氦气流量;
c)理论密度修正系数是一个常数,与流速无关,实际综合修正系数与流速有关,随着流速的减小而减小。
为什么会出现这种现象?理论数据和实验结果之间的不一致性解释了问题是什么,是否可以从理论上解释。所有这些都是本文所关注的问题。实际上,这也是对气体传递(浮动)子流量计的流动特性和流量校正方法的适用性的介质相关原理的深刻理解和重新理解。这一点非常重要,因为只有这样才能真正实现理论与实践的统一,确保价值传递的科学性和正确性。
  为了澄清上述问题,首先要从转移(浮动)子流量计的结构和工作原理入手。
2、旋转(浮动)分流量计结构及工作原理简述[3,4]
  旋转(浮动)子流量计主要由锥管,浮子和支撑连接结构组成。流量刻度直接刻在锥形管上,表明浮子的高度与被测介质的流速之间一一对应。图1是它的工作原理示意图。

转子流量计工作原理图

转子流量计工作原理图
  将浮子放置在垂直锥形管中。当流体从底部流到顶部时,根据伯努利方程,在浮子之前和之后形成压差,并且压差形成用于升高浮子的力F.当F大于浸没在流体中的浮子的重力Wf时,浮子上升。随着浮子上升,浮子的最大外径和锥形管之间的环形区域逐渐增大。在流速保持恒定的情况下,流速逐渐减小,并且F逐渐减小直到F和Wf相等,浮子稳定在一定高度。同时,考虑到实际流动条件和理想状态之间的差异,获得了F与流体密度ρ,流速v和浮子的最大横截面积a之间的关系。

  其中:Cd-从校准实验中获得的阻力系数与浮子的形状,流体的流动状态和流体的物理性质有关。

  式中:Vf ---浮子量,m3; ρf---浮子材料密度,kg / m3; g ---重力加速度,m / s2。
  从式(1)和式(2)之间的关系,我们可以得到流量Q的计算公式为

  式中:C ---流量系数; A ---线圈管横截面积,m3。
  对于气体介质,ρ远小于ρf,因此上述公式简化为公式(4),这是气体传输(浮动)子流量计的流量测量原理。

3、用于(浮)转子流量计特性的介质相关性校正
  对于特定的流量计,已经确定了与流量计结构或浮子材料相关的参数在等式(4),A,a,Vf,ρf等中,并且注意到存在流量系数C和密度ρin公式。参数与被测流体有关。只要选择流体介质,就可以缩放流量计,或者可以通过校准或流量校准实验确定浮子高度和实际流量之间的对应关系。因此,当特定的旋转(浮动)子流量计从工厂运输时,在锥形管上指示应用现有水垢的介质类型。当用于与秤的适用介质不同的其他介质流量测量时,秤必须合理。纠正。根据以上分析,转移(浮动)子流量计的流量特性的介质相关性校正应包括密度的校正和流量系数的校正,并且流量系数与流体的粘度有关,所以流量系数校正有时被称为粘度校正。
3. 1、密度校正
  密度校正是[2]中提到的校正方法。比较简单:根据公式(4),标度介质的流速为Q0,密度为ρ0,被测流体的流速为Q1,密度为ρ1。流量与密度的校正公式为

  可以看出,流速与密度的平方根成反比,密度的平方根是转移(浮动)子流量计的密度校正原理。

3.2、流量系数校正
  流量系数C的校正更复杂。在理想的情况下(假设流体是理想的流体,根本没有粘度;假设流量是理想的流量而根本没有能量损失),C是一个常数等于1的常数。但是,在实际应用中不太可能出现上述绝对理想状态。
实际上,对于特定的流量计,流量系数可以表示为雷诺数Re [4]的函数,雷诺数表征流体流动时惯性力与粘性力之比的无量纲数[5] ,从等式(6)定义

  其中:υ---流动部分的平均流速,m / s; L-流体的特征长度,m; ν-流体的运动粘度,m2 / s。
  雷诺数是流量计量中的重要参数。当外部几何条件相似且雷诺数相同时,流体流动状态也几何相似。这是流体力学的类似原理。
  可以看出,流体粘度对流量系数(或流量)的影响反映在雷诺数中。
  在流体力学中,流体的粘度具有两个不同的表达项,这容易混淆。一个是动态粘度μ,另一个是等式(6)中的运动粘度。两者之间的关系和流体的密度ρ由等式(7)给出。

  根据雷诺数的定义,流体运动粘度ν越大,雷诺数Re越小,表明粘性力对流体流动的影响比惯性力对流体运动的影响更大,并且影响流体介质粘度对流速的影响较小。忽略;相反,流体运动粘度ν越小,雷诺数Re越大,表明粘性力对流体流动的影响不如惯性力对流体运动的影响显着。由此可以得出结论,流体粘度对流速的影响程度应该基于运动粘度ν,并且不应该基于动态粘度μ。这个非常重要。它对气体转子流量计的计量验证具有指导意义。如果使用动态粘度作为标准,则可能导致不切实际的结果,因为具有相似动态粘度的气体的运动粘度可能还有很长的路要走。以空气和氦气为例,在标准条件下,空气和氦气的动态粘度为[6]:1.81×10-5Pa·s,1.97×10-5Pa·s,应该说非常接近。但是,由于两者的密度差异很大,它们是:1。205 kg / m3,0.663 kg/ m3,两者的运动粘度也大不相同:1。502×10-5m2 / s和11.85×10-5m2 / s。
  对于不同的流量计,由于结构本身和浮子的形状,流量系数C与雷诺数Re之间的关系不相同。很难找到表达的一般理论公式,通常以曲线的形式通过大量的实验数据。描述两者之间的具体关系。


  在这方面,日本学者也进行了深入的研究。其中,文献[4]也给出了具有不同浮子形状的流量计。

  流量系数C与雷诺数Re之间的关系如图2所示。
  从图中可以看出,对于具有确定浮子形状的旋转(浮动)子流量计,如果气态介质的运动粘度足够小,则在雷诺数Re达到某一值后,流量系数C基本保持不变。值。因此,在该区域(暂时称为线性区域)中,不需要进行粘度校正(或流量系数校正),仅需要进行浓度校正。然而,对于氦气,由于其运动粘度远大于空气,雷诺数和空气的雷诺数也非常不同,因此工厂只使用空气标准。:
●在确定浮子的形状结构的情况下,流量系数与流体运动的粘度有关,运动粘度越大,流量系数越小;
●在正常情况下,同一流量计的不同流量位置的流量系数可能不同。流量越小,系数越小。然而,对于具有较低运动粘度的流体,流量系数与流量标度位置之间的相关性较小;流量系数与标度位置的相关性取决于浮子的形状。
该图进一步传播了以下两种现象:
●流体粘度对流速的影响程度应以运动粘度ν为标准,不应以动态粘度μ为基础;
●对于氦气流量,气流量表的实际总校正系数与流量有关,随着流量的减小而减小。这是对本文介绍中引入的c)现象的解释。:
4、结论
  总结以前的理论分析和实验数据,结合实际工作经验,我们对气体传递(浮动)子流量计的介质相关性有如下理解,而这些点往往是转子流量计的校准。在工作中容易被忽视的地方:
●转移(浮动)子流量计的流量特性的介质相关性反映在两个方面:密度相关和运动粘度相关。不同气体介质流速之间的密度校正(转换)和流量系数校正(转换)分别仅在满足一定条件的前提下,才能进行密度校正(转换);
●应正确理解文献[2]的浓度校正方法中提到的粘度相似性原理。由于流体的粘度被分为动态粘度和运动粘度,因此在理解相似性原理时容易引起模糊。实际上,相同的流量计,当用于测量不同气体介质的流量时,流量系数的差异是由于介质的运动粘度的差异,而不是动态粘度的差异。因此,应该使用两者的运动粘度之间的相似性作为是否仅进行浓度校正的标准,并且不应该使用动态粘度作为标准。否则,这是不科学的。例如:具有相似动态粘度和长移动粘度的氦气和空气气流之间的关系就是一个活生生的例子。
对于与空气动力粘度差别很大的气体介质(例如氦气),当然不可能仅进行密度校正。然而,由于流量计的整体结构和浮子的形状的广泛变化,流量系数(或粘度)的校正使得难以找到像密度校正那样的合适的理论公式。在这种情况下,流量计秤与实际工作介质的重新校准是一种科学选择,因为这允许直接访问工作介质的实际流量而无需理论转换。
5、结论
  虽然旋转(浮动)子流量计的结构非常简单,但其在流量测量中的应用也很常见。然而,由于流量计量特性的介质特性相关性和流体物理性质的广泛范围,流量计量技术的复杂性注定。特别是,气体介质的相对高的可压缩性和热膨胀使得气流校准的技术难度更大。作为流量计量工作者,我们比普通流量计用户更深入地了解和分析流量计的流量测量原理和流量特性。
这些只是我们在实际工作中获得的一些粗略经验和想法。关于氦气流量计流量特性的更深入的研究工作正在等待许多流量计研究人员的共同努力。


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