新型气体罗茨流量计的压损测量

张国玉,苏中地,林景殿

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江苍南仪表集团有限公司,浙江 苍南 325800)

新型气体罗茨流量计的压损测量

张国玉1,苏中地1,林景殿2

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江苍南仪表集团有限公司,浙江 苍南 325800)

压损是衡量气体罗茨流量计性能指标的一个重要的参数.首先介绍气体罗茨流量计这一种新型的转子型线的设计方法，然后利用多种测量压损实验装置对这种新型气体罗茨流量计的压力损失进行测量,得到了一系列的数据.通过比较,实验结果与理论值在允许误差范围,符合预期设想,从而验证了设计方法的合理性与优越性.

罗茨流量计;转子型线;压损

气体罗茨流量计又称气体腰轮流量计,从开始使用到现在已经有相当长的历史,其因精度高、量程范围宽、体积小、重量轻、安装方便、使用可靠和寿命长等特点,被广泛用在气体流量测量中.

而在气体罗茨流量计中,腰轮转子是罗茨流量计的核心部件,国内外对其开展了大量研究.刘坤等[1]使用计算机编程的方法,对圆弧包络线的生成和性质进行了研究,并将其应用的原理进行分析,使用CAD技术通过作图法对转子型线进行了优化.龚中伟[4]介绍了腰轮流量计的结构、工作原理及优缺点,分析了原油外输过程中易出现的问题,并给出了相应的建议.虞庆文[5]通过对腰轮流量计在制造过程中的误差以及在使用过程中泄漏量、油品粘度和温度以及油质等因素对测量精确度的影响分析,提出了消除和减少计量误差的办法.魏学勤和刘兴蓉[6]分析指出粘度、温度、压力和流量等因素会影响腰轮流量计的准确度,并依据实际运行情况提出具体做法.刘秀东等[7]通过对国内行业标准和欧洲标准以及美国标准的比对,为国内气体腰轮流量计产品的开发参数设计提供参考依据.林克努[8]在研究压力损失与仪表误差之间关系和预测压力损失过程中,使用不同容量的罗茨流量计进行各种流体的压力损失实验,推导得出了压力损失与运动粘度关系的经验公式.STEPHEN[9]研究了不同流量计的压力损失情况,提出比压来对不同的流量计进行比较.

腰轮转子的类型中有三叶型、两叶型,但是其主要类型是两叶型.两叶型中又主要有圆弧型、渐开线型、摆线型.现有的主要叶型是圆弧型,有部分专家对其进行优化,在圆弧型的基础上添加了渐开线和摆线以及包络线,使得结构更加合理,性能更加成熟.

本文主要采用的是圆弧与渐开线的配合,但采用的是多段圆弧以及包络线配合,通过对新型的气体罗茨流量计进行压损测量,得到实验数据.根据经验可知,对于口径为50 mm的传统的罗茨流量计的压损值不能超过800 Pa,本文通过实验测得此新型罗茨流量计的压损值,与一般的罗茨流量计的压损值进行比较,论证新型罗茨流量计的优越性.

1 转子型线的分析

图1是新型型线的1/4曲线,这种型线的的结构由4段圆弧AB、BC、CD、DE,包络线EF,和圆弧FG组成.朱超颖等[10]使用Solidworks得到了此结构的完整型线,并对此结构做了详细的说明,在面积系数上,与传统的罗茨型线进行了对比,验证了新型罗茨型线的优越性.

图1 新型腰轮流量计的转子型线Figure 1 Rotor profile of new type Roots flowmeter

图2是利用上述1/4转子型线通过左右、上下对称得到的完整的转子型线.

图2 完整的转子型线Figure 2 Complete rotor profile

2 实验器材与装置

为了检测新型气体罗茨流量计的性能,通过不同的流量测量装置对气体罗茨流量计进行压损测量实验.此次实验分别使用了量程为0～10 kPa、采样率为1次/h至1 000次/s可调、综合精度为0.1%的高精度的CY200数字压力传感器,0.25级LJQ-2 000钟罩式气体流量标准装置,综合不确定度优于0.5%、可测量范围为5～4 000 m3/h.装置准确度等级为0.25级、可测流量计通径DN25～200的LXH-7 000临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置,精度等级为0.25级IMCC2000标准表检测装置等装置.

本次实验被检测罗茨流量计是浙江苍南仪表集团有限公司此型线设计的口径为50 mm的气体罗茨流量计.

为了确保本次实验器材的可靠性,我们在风洞实验室中利用差压计对数字压力传感器进行了校正.通过调节风机的频率,送入不同的速度的风,在实验区同时用微差压器和数字压力传感器测量同一点的压力,记录实验数据如表1.

表1 风洞校准实验微差压计与数字传感器的压力值

被测试的数字压力传感器型号是SwemaMan 60 Micromanometer,量程是300～5 000 Pa,精确度为0.1 Pa.

通过表1的实验数据我们可以看到,微差压计与传感器通道2压力值是很接近的,而传感器通道1与传感器通道2相差的压力基本在平均值28.8 Pa的上下变化,正负范围约2 Pa.

3 实验方法与步骤

本次实验采用的是钟罩式气体流量标准装置、临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置、标准表法气体流量标准装置对气体腰轮流量计进行前后压力测量.在腰轮流量计的进出口位置装有数字传感器,测出进出口压力,求得数字传感器测出的压损值.实验过程中在气体罗茨流量计的进出口的位置连接三通管,一端连接数字传感器的测压线路,一端连接原始流量检测装置的测压管路.启动钟罩式气体流量标准装置,调节流量值,使其通过气体罗茨流量计的流量值分别接近100、90、80、70、60、50、40、30、20、15、10、8、5、3、2、1.5、1、0.65 m3/h,记录下实验数据.然后分别启动临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置,设定流量值,使其通过腰轮流量计流量值接近100、70 m3/h,记录下实验数据.

4 实验结果验证

气体罗茨流量计单只腰轮转子损失特点符合管道损失特点,因此可以借鉴管道损失作为气体罗茨流量计单只腰轮损失理论值,而管道损失公式为[11]

ΔP=1.28×ρv2.

(1)

其中:ρ为空气密度,kg/m3;v近似为腰轮转子最大线速,m/s.而

v=2πrf×10-3.

(2)

其中:r为转子顶点到中心距离为0.044 64 m,f为频率值.

已知单个脉冲气体通过罗茨流量计的体积为VA=176.905 547 6 L,则脉冲数N与单位时间流量值V和单个脉冲气体通过罗茨流量计的体积VA关系如下:

(3)

其中:气体腰轮流量计每转一圈会有四个脉冲,则频率值

f=N/4.

(4)

通过上式我们可以求出相应的N,f和单个的转子的理论压损值ΔP,如表2.

表2 罗茨流量计单个转子的压损值

(续表2)

图3 实验与理论压损值Figure 3 Pressure loss of experimental measurements and theory

在表2中,单个转子随着流量的不断减小,其单个转子的理论压损值也相应的减小.由于每个流量表腔体內含两个转子,将表中的单个转子的理论数据乘以2转换成气体罗茨流量计理论值后,通过最小二乘拟合二次式后得到的理论的参考压损值与实验所测得的数字传感器数据和钟罩流量标准装置所测得实验数据绘制成如图3所示的示意图.由图3可知,气体罗茨流量计最大的压力损失值不超过400 Pa.在大流量时,钟罩式气体流量标准装置的压损值更接近理论参考值;在中等流量时,数字传感器的值更接近理论参考值;在小流量时，钟罩式气体流量标准装置的压损值和数字传感器的压损值与理论参考值偏差都比较大.这主要是因为在大流量时,气体的流速较快,钟罩的测压相对于数字传感器测压更加稳定,而在中等流速时,数字传感器明显有较强的测压优势,数字传感器测出的值与理论值相差不大.在小流量时,由于管路损失、机械损失等损失所占的比重较大,其真实值远远超过其理论值,故在小流量时,压损值测量不准确,误差较大.

为了进一步验证实验测量的准确性,再次使用音速喷嘴气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置等多种方法对其在大流量时的压力损失作进一步测量.表3和表4给出了流量值为100 m3·h-1和70 m3·h-1时钟罩式气体流量标准装置、喷嘴气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置的压力损失值.

表3 Q=100 m3·h-1压损值

表4 Q=70 m3·h-1压损值

由以上结果可以看出,不同的仪器测量出来的压损值不尽相同,同一装置在不同环境下测量出来的压损值也不完全相同.钟罩相对于传感器的测量值与喷嘴和标准表相比,明显偏小.造成这种结果的原因可能有:1)在大流量时,喷嘴气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置标准产生的巨大波动对实验影响较大,产生的实验误差较大.2)仪器结构上不够完善或仪器未经很好校准等原因而产生的系统误差.3)实验仪器由于环境温度、湿度、电源电压不稳定、振动等因素也会产生微小变化而造成偶然误差,这些因素的影响一般是微小的,而且难以确定某个因素产生的具体影响的大小,一般情况下难以排除.

5 结 语

本文介绍了一种新型的气体罗茨流量计,其转子型线是由多段圆弧与渐开线构成.使用了三种气体流量标准装置对气体罗茨流量计的压损进行了测量,在大流量时钟罩式气体流量标准装置相对误差较小.实验结果表明,当流量较小时,压力损失实验值与理论值偏差较大,这是由于在流量较小时,压力损失不仅包含管道损失,还存在机械损失.新型的气体罗茨流量计最大压力损失值不超过400 Pa,与传统的气体罗茨流量计压力损失值800 Pa相比有明显的优势;同时在大流量时,压力损失的实验值与管道损失理论值基本能重合,这验证了实验的可靠性.

[1] 刘坤,李培印,李强，等.三轴罗茨真空泵的抽气理论和结构设计[J].真空科学与技术学报,2015,35(8):934-939. LIU K, LI P Y, LI Q, et al. Design of single-stage three-axis Roots vacuum pump and its pumping mechanism[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2015,35(8):934-939.

[2] 周家春.摆线转子流量计转子的型线分析[J].计量技术,1999(8):18-20. ZHOU J C. Analysis for Roots rotor profile of cycloid rotor and flowmeter rotor[J].Measurement Technique,1999(8):18-20.

[3] 余勇兵,胡克坚.罗茨流量计转子型线的优化设计[J].数字技术与应用,2011(7):233-234. YU Y B, HU K J. Optimization design of Roots flowmeter rotor type line[J].Digital Technology & Application,2011(7):233-234.

[4] 龚中伟.腰轮流量计的计量与检定问题[J].油气储运,1999,18(6):41-44. GONG Z W. Problems existed in measurement and calibration for Roots flowmeter[J].Oil&Gas Storage and Transportation,1999,18(6):41-44.

[5] 虞庆文.腰轮流量计在油品计量中的误差分析[J].油气储运,2004,23(3):48-49. YU Q W. The error analysis of the waist wheel flowmeter in the measurement of oil products[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2004,23(3):48-49.

[6] 魏学勤,刘兴蓉.腰轮流量计准确度的影响因素[J].机械研究与应用,2005,18(2):46-47. WEI X Q, LIU X R. Influence factors on the accuracy of turbine flowmeters[J].Mechanical Research and Application,2005,18(2):46-47.

[7] 刘秀东,刘金勇,赵岐刚.国内外气体腰轮流量计标准比对[J].中国西部科技,2011,10(19):20-21. LIU X D, LIU J Y, ZHAO Q G. Standard comparison of gas waist wheel flowmeter at home and abroad[J].Science and Technology of West China,2011,10(19):20-21.

[8] 林克努.关于罗茨流量计的压力损失[J].自动化仪表,1980(5):59-67,80,84. LIN K N.The pressure loss on the Roots flowmeter[J].Process Automation Instrumentation,1980(5):59-67,80,84.

[9] IFFT S A. Permanent pressure loss comparison among various flowmeter technologies[J].Electric Age,2007(9):70-72.[10] 朱超颖,林景殿,苏中地.一种新罗茨转子型线的构成方法[J].真空科学与技术学报,2015,35(12):1449-1452. ZHU C Y, LIN J D, SU Z D. A novel type of Roots rotor profile[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2015,35(12):1449-1452.

[11] 潘友艺,杨国芬,郭杨严,等.气体腰轮流量计腰轮转子曲面模型研究[J].仪器仪表用户,2014(6):54-56. PAN Y Y, YANG G F, GUO Y Y, et al. The research of the mathematical modeling of the surface equation of the rotators of the gas rotary flowmeters [J].Electronic Instrumentation Customers,2014(6):54-56.

Measurement of pressure loss of a new gas Roots flowmeter

ZHANG Guoyu, SU Zhongdi, LIN Jingdian
(1. College of Metrology and Measurement Engineering, China University of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Cangnan Instrument Group Co., Ltd, Zhejiang Cangnan 325800, China)

Pressure loss is an important parameter of the gas Roots flowmeter performance. The design method of the new rotor model was introduced. Pressure loss experiments were carried out to test the gas Roots flowmeter with several pressure loss test devices. The experimental result is consistent with the theoretical value within range of the permissible error. It verified the rationality and superiority of the new design.

Roots flowmeter; rotor profile; pressure loss

2096-2835(2017)01-0035-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.006

2016-10-18 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

张国玉(1990- ),男,湖北省武穴人,硕士研究生,主要研究方向为流体机械的数值模拟. E-mail:zhangguoyuabc@163.com 通信联系人：苏中地,男,教授.E-mail:suzhongdi@cjlu.edu.cn

TH814

A