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测量介质不同对科里奥利质量流量计校准误差的影响

测量介质不同对科里奥利质量流量计校准误差的影响,随着科里奥利质量流量计广泛地运用到 CNG 加气机中其计量的准确性越来越受到关注,通过运用目前最流行的有限元( FEM) 软件 ANSYS 对管道内流体速度场进行仿真观察到在相同质量流量下不同介质在测量管道内具有不同的流体行为并定性地分析了气体介质的速度场非对称特性对质量流量计校准误差的影响最后提出了解决方案和建议。

         涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

随着科学技术和经济的发展环境污染问题和能源的综合利用越来越受到人们的关注。为了减少城市交通给环境带来的污染提高天然气的利用率,我国部分城市特别是拥有丰富天然气资源的四川和重庆地区许多城市和郊县都开始推广使用经济环保的压缩天然气以下简称 CNG) 作为城市和郊县交通车辆的燃料。随着西气东输工程的建立我国 CNG 的用量将大幅度的增加其计量问题也更加突出。

 科里奥利质量流量计作为天然气加气机计量的核心部件其本身的性能直接影响了加气机计量的准确性。目前在质量流量计的出厂校准工作主要采用水作为介质而在实际的工作使用中却是采用压缩天然气作为介质两者的性质有所不同。那么采用水替代天然气作为校准介质,是否会对流量计的准确度产生影响下面我们就将结合目前最流行的 ANSYS 有限元分析软件对这一问题进行分析。

我们采用网拍型的双管对称管型作为实验的对象其结构如图 1, 管子内径 d=6mm

数学模型的建立

我 们 采 用 功 能 强 大 的 有 限 元 分 析 软 件ANSYS- CFD 模块作为实验平台其基本原理是:将连续的流体离散成有限单元然后通过边界条件连接起来并且满足流体连续性方程和欧拉运动方程。

实验目标:以正常使用条件下最常用的流量6 kg /m作为对比参考点,研究相同流量下水和天然气的流态和速度场分布。

由于天然气和空气的气体性质相同,因此,我们采用空气的物理参数来代替天然气作为实验对象。边界条件设定:

由于测试管型为轴对称形状可以选用轴对称面的2D 图形建立数学模型这样可以大大减少网格划分的数量节约计算机的资源。同时为了确保仿真结果的准确性我们采用手动绘制网格的方式防止网格在转弯处发生畸变从而造成迭代收敛速度缓慢,甚至是不收敛。

根据流动状态判断准则我们分别计算水和空气的雷诺数:

水和空气的雷诺数均大于 2300, 两者流动方式属于紊流状态因此我们选择 ANSYS- CFD 中的Turbulent 方式进行仿真。

仿真结果及分析

3.1 体积速度场分布

从体积速度场的分布图我们可以明显的看到,不管是水还是空气在整个流动过程中其体积流速不是恒定。在管道内部流动的介质越靠近圆心,其体积流速越大。引起体积流速呈现这样分布的原因主要是流体经过圆弧时产生的离心力所造成。离心力增大了流体对于管道外缘的压力也就比例地增加了靠近外缘部分的流体与管壁的摩擦力所以靠近外缘的流体流速降低了。

另外由图 和图 我们发现对于以水作为介质的流体其体积流速的极大值位于顶点偏右的位置而对于以空气作为介质的流体其体积流速的极大值位于顶点偏左的位置两者在体积流速场的分布上存在明显不同。

3.2 Y 方向的速度场分布图

质量流量计的测量原理是通过被测介质流过测量管产生科里奥利力使测量管发生扭转而后产生两路频率相同但初始相位不同的正弦波。通过对相位差的测量得出实时的质量流量。其基本计算公式如下:

又由材料力学我们知道测量管的扭转角度正比于作用力在质量流量计中这个作用力即是科里奥利力。而由上式可知作用力是正比于介质流动速度的因此测量管的扭转角度是正比于介质的流动速度。为了进一步的研究介质流动速度对扭转角度的影响我们将体积流速按 和 方向进行分解,由科里奥利力产生的原理可知,X方向的速度不产生科里奥利力只有 方向的速度才产生科里奥利力。

由图 和图 5, 我们可知:( 1) 对于水和空气, Y 向速度极大值和极小值都在管子左右两侧居中的位置,这是两者的共性。( 2) 对于以水作为介质的流体来说,其左右两侧的速度场基本是对称分布,Vmax=1.923m/s,Vmin=- 1.922m/s, |Vmax|- |Vmin|=0.001m/s 而对于以空气为介质的流体来说可以明显的观察到其左右两侧 的速度场是非对称分布的, Vmax=10.552 m/s,Vmin=- 11.637m/s, |Vmax|- |Vmin|=- 1.085m/s。我们选取向流速的极大值点和极小值点所在截面来观察同一截面上速度的非对称性。

由图 和图 我们可以进一步肯定测量管的速度场是非对称分布的。在这样的速度场非对称分布情况下必然造成科里奥利力的非对称分布进而导致测量管左右扭转的角度不同。由于传统的速度传感器多为磁电式即通过线圈切割磁力线将机械能转化成电能的方式来进行相位测量因此扭转角度的增大将使感生电动势增大。然而在变送器进行相位比较的时候希望得到的理想速度信号是频率和幅值都相同仅仅是相位不同的两路正弦波。假如变送器的相位比较过程采用的不是过零触发那么,当左右速度信号的幅值不同由幅值不同带来的相位误差就不能忽略必须计入流量计的误差分析当中。这个结论和我们在实际工作所得到的经验数据是相吻合的。

综上所述在同一流量点下以水为介质进行的出厂校准工作和实际使用空气作为介质的现场工作情况是不同的后者将引入新的误差使得我们在加气机安装完成后必须在现场重新进行校准。由于操作现场的工况条件比较复杂相应地会引起更大的误差有时甚至会影响加气机的正常工作。因此我们建议以气体作为工作介质的质量流量计在出厂检定的时候应以气体作为检定的介质尽量保证检定条件和实际工作条件的一致减少现场的调整工作。另外针对本文中所提到的误差影响我们应该根据被测介质的不同相应地制定不同的检定标准,保证质量流量计在其实际使用条件下具有足够的准确度。

点击次数:  更新时间:2018-08-07 16:22:23  【打印此页】  【关闭