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          金属管浮子流量计具有温压补偿功能的必要性与刻度换算

          来源: 天津大学 作者:申高展 发布日期:2020-04-26

           金属管浮子流量计具有温压补偿功能的必要性 

                 随着能源短缺的不断加剧和科技水平的逐步提高,工业生产中对流量测量,特别是气体和蒸汽测量精度要求也越来越高。气体和蒸汽具有可压缩性,其流量与测量温度和压力均相关。
           
                 若标定时气体(或蒸汽)的温度为 T0,压力为 P0,标定流量为 Q0;当前测量条件:温度为 T1,压力为 P1。由理想气体状态方程得到,此时的工况流量 Q1: 
                 Q1=P1T0/P0T1Q0            (2-1) 
                 其中 Q0为标定流量,P
                 1为当前压力,P0为标定压力,T1为当前温度,T0为标定温度。 
           
                 若 T1= T0,P1= 1.03P0,则当前工况流量 Q1比 Q0大 3%,即测量误差为 3%(一般仪表的精度都优于 3%)。所以,当测量介质为气体或蒸汽时,若测量条件(主要指温度压力条件)改变,就无法保证该仪表的测量精度,因此对高精度气体和蒸汽流量的计量需要添加在线温压补偿环节。
           
                 目前能够实现对气体和蒸汽计量的流量计很多,主要有涡街流量计,金属管浮子流量计,涡轮流量计,孔板流量计等,然而在这些流量检测仪表中,除了涡街流量计以外,其余基本不具有在线温压补偿功能。 金属管浮子流量计因其结构简单、成本低、稳定性高、对仪表前后直管段要求不高、维护方便等优点,使其成为工业自动化过程控制中非常常用的流量测量仪表之一。然而受多方面因素的影响,目前在线温压补偿功能金属管浮子流量计的研究仍处于初始阶段。 
           
                 本章主要介绍金属管浮子流量计在线温压补偿模块的研究与设计。首先,分析金属管浮子流量计的刻度换算方法;然后分析金属管浮子流量计的在线温压补偿功能的设计要领。 
           
          2.2 金属管浮子流量计的刻度换算 
                 金属管浮子流量计的刻度换算问题,实际上就是要确定浮子处于同一高度 h 时不同流体介质所反映的流量。 
           
          (1)蒸汽流量的刻度换算 
                 流量计用于测量蒸汽时,制造厂是用标准状态(温度 T0=20 ℃,压力P0=101325Pa)下清洁的水作为标定介质来进行标定的。通过测量蒸汽的温度和压力,来确定其是饱和蒸汽还是过热蒸汽,然后通过查过热蒸汽表或饱和蒸汽表,
          确定当前状态下,测量介质的密度。然后通过下面的论述实现蒸汽流量刻度的变
          换。 
           
                 设ρ0 、0q 和0α 分别表示金属管浮子流量计标定介质的密度、体积流量及流量系数;
                 而 ρ 、vq 和α 分别表示使用时蒸汽的密度、体积流量及流量系数,则根据式(1-2)可得
          蒸汽的密度、体积流量公式
          式中:Df  是浮子非常大直径,m;A
                 f  是浮子迎流面积,m2;V
                 f  是浮子体积,m3;
                 ϕ 为孔板的锥角,°;fρ 是浮子密度,m3,h 为浮子的高度位置,m。 
           
          比较上述两式,可得出vq 与q0之间关系为
          q 与0q公式
           
                 流量系数α 是一个与雷诺数 Re 和流量计结构相关的系数。当蒸汽的粘度与标定介质的粘度相差不大时,可以不考虑α 的影响,认为α =α 0,所以式(2-3)可以改写为
          蒸汽的粘度与 标定介质粘度公式
                 上述公式也适合液体介质。若被测介质的粘度变化太大,流量系数随雷诺数的变化也较大时,则应考虑对粘度的修正或进行实流标定。 
          (2)气体流量的刻度换算 
                  流量计用于测量气体时,制造厂是用标准状态(温度 T0=20 ℃,压力P0=101325Pa)下空气作为标定介质来进行标定的。如果被测气体的密度与空气的密度不同时,应对其进行刻度换算。 对于气体来说,由于浮子的密度一般要比流体介质的密度大得多,因此可以认为fρ −ρ =fρ0 −ρ ,根据式(2-4),测量气体时流量换算公式可以写为 
          20200426151316.jpg
          式中ρ0 为标定介质标定时的密度,kg/m3;ρ 为被测介质在使用状态(P,T)下的密度,kg/m3;vq 为使用状态的流量,m3/h; 
           
          用金属管浮子流量计测量干燥空气流量时,由于介质没有变化,只考虑状态的修正。
           
          使用压力不太高时,认为空气的压缩系数为 1,根据 ρ =P/RT 的气体的刻度换算公式为
          气体的刻度换算公式
          用金属管浮子流量计测量非空气介质时,可直接使用时(2-5)计算,要注意 ρ 为被测介质在使用状态下的密度。也可以将被测介质密度和所处状态分开修正,在被测介质压力不大高时,认为被测介质的压缩系数为 1,根据 ρ =P/RT 的气体的刻度换算公式为 
          气体的 刻度换算公式(2)
           
          式中ρ01 为使用气体在刻度状态下而非使用状态下的密度,kg/m3;ρ 为被测介质在使用状态(P,T)下的密度,kg/m3;T 和 T0为热力学温度,K; p 为绝对压力。 
           

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