如何测量小管径氢气一直是困扰我公司的一个问题。由于氢气的密度很小，且受温度、压力变化的影响较大，我公司经现场检验，***终选定带温度、压力补偿功能的智能气体涡轮流量计，以达到准确测量气体介质的目的。

    本文通过对气体涡轮流量计的工作原理、测量原理、计算公式、检定、标定、优点和注意事项的阐述，并从实际测量氢气的过程中，分析了氢气压缩因子对气体涡轮流量计测量的相关影响，供同行参考。

 

    一、气体涡轮流量计的工作原理

 

    涡轮流量计是一种速度式流量仪表，当被测流体流经涡轮流量计时，流体的动能作用于涡轮的螺旋叶片上，产生驱动力矩Td，使涡轮旋转，涡轮旋转时，驱动力矩必须克服同样作用于涡轮上流过叶片的流体黏性阻力矩Ti、轴承阻力矩Tb、轮壳端部摩擦阻力矩Tw、顶隙阻力矩Tt和作用于轮壳的流体黏性摩擦阻力矩Th。由此可建立涡轮的运动微分方程：

 

 

    式中：J———涡轮的转动惯量；ω——涡轮的旋转角速度；τ——时间。

 

    当流量恒定时，即涡轮处于匀速旋转运动时，以上驱动力矩与阻力力矩相等，则有

 

 

    有力矩均与来流速度呈一定的函数关系，当来流速度变化时，其平衡状态的转速也随之改变。根据运动学的相关知识可以看出，涡轮的流量与转速并不是简单的线性关系，其力矩与来流速度的函数关系与涡轮的具体结构参数有关，这就是涡轮流量计的基本数学模型。

 

    二、TBQZ系列智能气体涡轮流量计的测量原理

 

    我公司采用的是浙江某仪表公司生产的TBQZ系列智能气体涡轮流量计，它是集流量、温度、压力检测功能于一体，并能进行温度、压力、压缩因子自动补偿的新一代流量计。其工作原理如下：当气流进入流量计时，首先经过独立机芯的前导流体并加速，流体的动能作用于涡轮的叶片上，由于涡轮叶片与流体流向成一定角度，此时涡轮产生转动力矩，在涡轮克服阻力矩和摩擦力矩后开始。当诸力矩达到平衡时，转速稳定，涡轮转动角速度与流量呈线性关系，通过旋转的发信盘上的磁体周期性地改变传感器磁阻，从而在传感器两端感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号，该信号经前置放大器放大、整形后和压力传感器、温度传感器检测到的压力、温度信号同时输出给流量积算仪进行处理，直接显示标准体积流量和标准体积总量。

 

    三、气体涡轮流量计的计算公式

 

    由于是对气体的测量，与温度、压力有关系，并将不同工况条件下的气体体积流量转换成标准状态下的（P=101.325kPa，T=293.15K）的体积流量，其气态方程为

 

 

    式中：Qn——标准状态下的体积流量，m3/h；Qg——未经修正的体积流量；Pg——流量计压力检测点处的表压，kPa；Pa——当地大气压，kPa；Tg——介质的温度（273.15+t），K；t——被测介质摄氏温度，℃；Zn——标准状态下的压缩系数；Zg——工作状态下的压缩系数；Tn——标准状态下的温度，293.15K；Pn——标准大气压，101.325kPa。

 

    我公司采用的仪表以20℃、1个标准大气压（101.325kPa）作为统一基准。仪表显示的压力就是压力，即Pg+Pa，被测气体的温度也可直接测出，通过公式将工况转换为标况，仪表上可以直接显示出总量、标况、工况、工况的温度、压力，使用非常方便。

 

    四、压缩因子对氢气的影响分析

 

    大家都知道天然气必须经过压缩因子修正，由于检测的气体为氢气，根据厂家提供的氢气在不同的温度对应的不同的压力下所测出的氢气压缩系数修正因子，如表1所示。

表1 氢气压缩系数修正因子

 

 

    由表1可以看出，压缩因子均在0.99~1.0006范围内，0.6MPa以内若不修正，误差仅小于0.3%。

 

 

    五、智能气体涡轮流量计的标定和检定

 

    对智能气体涡轮流量计的标定和检定与普通气体涡轮流量计的标定、检定一样，目的在于实现对流量计仪表换算系数、准确度、重复性、瞬时流量等技术指标的测定和实时程序写入，以及对标定数据的检定。但由于智能气体涡轮流量计的智能化，有些数据可以通过软件直接设定，标定的仪表换算系数通过软件的控制及计算功能，能够很好地实现对流量测量的修正和补偿目的，提高了计量准确度。由于产品出厂的时候都经过标定，即将流量传感器、压力传感器、温度传感器分别进行检定，因此，用户使用时一般不需要更改仪表内置的参数。

 

    六、智能气体涡轮流量计的优点

 

    结构简单，加工零部件少，重量轻，基本不用维护，稳定性好、准确度高、重复性好，量程比宽（1：20），集温度、压力、流量传感器和智能流量积算仪于一体，可对被测气体温度、压力自动跟踪修正，直接计量气体的标准体积流量和总量，配有整体性能优良的整流器，对前后直管段要求很低（前>2DN，后>1DN）。

 

    七、智能气体涡轮流量计的注意事项

 

    根据气体涡轮流量计的工作特性，要保证涡轮流量计的准确计量，正确的选型、安装、使用是关键。被测气体必须干净，安装管道一定要清扫。此前，我们以为一台涡轮流量计损坏了，返回厂家修理后才知是管道内的微小杂质将涡轮卡住了，所以在仪表之前安装了一台配套设备——气体过滤器，以利于涡轮流量计的正常使用。


智能气体涡轮流量计产品详解：
一、智能气体涡轮流量计概述
     LWQ系列气体智能涡轮流量计是在原LWQZ系列气体涡轮流量计的基础上增加了温度、压力自动跟踪补偿和压缩因子修正功能的新型一体化智能流量计，能对工况条件下测得的流量值进行P.T.Z修正并直接显示标准状态（P0=101325Pa、T0=293.15K）的体积总量。经鉴定：其综合性能指标达到同类产品国内水平和国际九十年代中期水平，是石油、化工、冶金以及城市燃气等行业气体计量和天然气贸易计量的理想仪表。

二、智能气体涡轮流量计特点：
 
 1、测量范围宽，下限流速低于0.5m/s，压力损失小，叶轮抗冲击能力强。
 2、具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力，采用全密封隔离保护自润滑轴承， 性能可靠工作寿命长。
 3、采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。 精度优于±0.02%。
 4、仪表系数可由按键在线设置，并可显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性高。
 5、采用EEPROM对累积流量、仪表系数进行掉电保护。保护时间大于10年。
 6、可在被测气体稳定的压力状态下进行压力补偿。

三、智能气体涡轮流量计主要技术参数
     
     　　 
★ 流量计规格，基本参数和性能指标（见表一）
     
★ 准确度：0.5级、1.0级；
     　　 
★ 使用条件：1、 环境温度-20℃～50℃;
     　　    2、 相对温度：5%～95%;
     　　    3、 被测介质温度：-20℃～80℃;
     　　    4、 大气压力：86Kpa～106Kpa;
     　　    5、 防爆等级：ibⅡBT4. 
 四、 电气特性
     
     1、 显示方式：
     　　（1）LWQ-A 远传显示：脉冲输出（配显示仪表）；
     　　（2）LWQ-B 现场显示：7位LCD显示累积流量，单位（m3）7位LCD显示瞬时流量，单位（m3/h）（带汉字显示符）
     　　（3）LWQ-C 温度压力补偿型：
     　　  a、显示标准瞬时流量及标准累计流量；
     　　  b、显示工况瞬时流量及工况累计流量；
     　　  c、显示当前压力、温度、电池电压；
     　　  d、显示日期和时钟。
     2、输出功能：
     　　（1）脉冲输出，p-p值由供电电源确定；
     　　（2）4~20mA两线制电流输出；
     　　（3）单位体积脉冲输出及传感器原始脉冲输出；
     　　（4）带有RS485半双工通讯接口、RS232半双工通讯接口。
     3、供电电源：
     　　（1）LWQ-A；DC5~24V；
     　　（2）LWQ-B：3V锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上；
     　　（3）LWQ-C：3V锂电池安装于仪表内部可连续使用四年以上；

五、测量范围及工作压力

公称通径 （mm）	型号	标准量程 （m3/h）		扩展量程 （m3/h）		耐压等级 （MPa）	安装方式
DN25	HQLWQ-25□		——	W3	0.5-4	4.0	法兰（螺纹）
			——	W4	0.7-7	4.0
			——	W5	1.5-15	4.0
		S1	3-30	W1	1.5-30	4.0
		S2	4-40	W2	2-40	4.0
DN40	HQLWQ-40□	S1	5-50	W1	2.5-50	4.0	法兰（螺纹）
		S2	8-80	W2	4-80	4.0
DN50	HQLWQ-50□	S1	10-100	W1	5-100	4.0	法兰
		S2	15-150	W2	8-150	4.0	法兰
DN65	HQLWQ-65□	S	15-200	W	10-200	1.6	法兰
DN80	HQLWQ-80□	S	15-300	W1	10-300	1.6	法兰
				W2	15-350	1.6	法兰
DN100	HQLWQ-100□	S	20-400	W1	15-400	1.6	法兰
				W2	20-500	1.6	法兰
DN125	HQLWQ-125□	S	20-800	W1	18-800	1.6	法兰
				W2	20-900	1.6	法兰
DN150	HQLWQ-150□	S	50-1000	W1	25-1000	1.6	法兰
				W2	50-1200	1.6	法兰
DN200	HQLWQ-200□	S	150-2000	W	80-2500	1.6	法兰
DN250	HQLWQ-250□	S	200-3000	W	150-3500	1.6	法兰
DN300	HQLWQ-300□	S	250-4000	W	200-4000	1.6	法兰

注1：表2中“标准量程”中标示的测量范围为通用测量范围；（即适用于：HQLWQ-N/A/B/C/D）
注2：表2中“扩展量程”中标示得测量范围仅限用于“智能一体化天然气流量表”或“智能温压补偿一体化天然气流量表” （即适用于：HQLWQ-B/C/D）
 

 

    八、结束语

 

    通过3个月的运行观察，再结合现场的工艺条件，该涡轮流量计测得的流量跟工艺用量基本一致，满足我们的计量要求。