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          详细分析为什么孔板流量计需要压力和温度补偿?

          来源: 作者: 发布日期:2020-10-28

                  当我们从孔板或文丘里管的压力下降得出公式来预测流量时  ,我们不得不做出许多假设,其中主要的原因是运动流体中完全缺乏摩擦(即,没有因摩擦而耗散的能量),并且非常好的流线流动(即完全没有湍流)。可以说,到目前为止, 我们已经讨论过的流程公式(先前的主题)仅是对现实的近似。

           
                 在这方面,孔板是非常严重的违规者,因为流体会遇到穿过孔的几何形状突变。文丘里管几乎是理想的,因为管子的机加工轮廓确保了流体压力的逐渐变化并使湍流非常小化。
           
                 但是,在现实世界中,我们必须经常使用不完善的技术来尽力而为。孔板尽管不能非常好地用作流量传感元件,但安装在法兰管中既方便又经济。
           
                 孔板也是流量元件非常容易更换的类型,以防损坏或进行日常维护。
           
                 在诸如贸易交接(也称为“财政”计量)的应用中,流体的流量代表正在购买和出售的产品,流量测量的准确性至关重要。
           
                 因此,重要的是弄清楚如何从通用孔板中获得非常大的准确度,以便我们可以准确,经济地测量流体流量。
           
                 如果我们将通过产生压力的主传感元件的真实流量与理想方程式预测的理论流量进行比较,则可能会发现明显的差异。这种差异的原因包括但不限于:
           
          湍流和粘性导致的能量损失
          • 由于在管道和元件表面上的摩擦而导致的能量损失
          • 流量变化导致静脉收缩的位置不稳定
          • 管道不规则引起的速度分布不均
          • 流体可压缩性
          • 元件和管道的热膨胀(或收缩)
          • 非理想的压力抽头位置
          • 粗糙的内部管道表面导致过度湍流
          对于任何测量到的压差量,真实流量与理论流量之间的比率称为流量传感元件的排放系数,由变量C表示。
           
                 由于值1表示理论上的理想值,因此任何实际产生压力的流量元件的C实际值将小于1:
          流量传感元件的流量系数
           
                 对于气体和蒸气流,由于与气体和蒸气的可压缩性有关的原因,实际流速比理论(理想)流量值偏离液体的程度更大。
           
                 通过将任何流量元件的气体排放系数与液体流量系数进行比较,可以计算出任何流量元件的气体膨胀系数(Y)。
           
                 与排放系数一样,任何实际压力生成元素的Y值都将小于1:
          流量排放系数
                 将这些因素合并到另一篇文章中讨论的理想体积流量方程中(请单击此处),我们得出以下公式:
          理想体积流量方程
                 如果我们愿意,我们甚至可以添加另一个因子来说明任何必要的单位转换(N),在过程中摆脱常数√2:
          体积流量方程-1
                 可悲的是,在任何给定流量元件的整个测量范围内,排放系数(C)和气体膨胀系数(Y)都不会保持恒定。
           
                 这些变量会随着流量的变化而变化,这使得从压差测量中准确推断流量的任务变得更加复杂。
           
                 但是,如果我们知道典型流动条件下的C和Y值,则大多数时候我们可能会获得良好的精度。
           
                 同样,C和Y随流量变化的事实也限制了使用前面看到的“比例常数”公式可获得的精度。
           
                 无论我们是测量体积流量还是质量流量,在一种特定的流量条件下计算出的k因子对于所有流量条件都不会保持恒定:
          体积或质量流量
                 这意味着在我们根据特定的流动条件计算出k的值之后,我们只能相信流动条件方程的结果与我们用来计算k的方程相差不大。
           
                 在两个流量方程中都可以看到,流体的密度(ρ)是重要的因素。如果流体密度相对稳定,我们可以将ρ视为一个常数,将其值合并到比例因子(k)中以使两个公式更加简单:
          孔口流量方程
           
                 但是,如果流体密度随时间变化,我们将需要一些方法来连续计算ρ,因此推断流量测量将保持准确。可变流体密度是气体流量测量中的一种典型情况,因为根据定义,所有气体都是可压缩的。
           
                 只需简单地改变管道内的静态气体压力即可使ρ发生变化,进而影响流量与压差下降之间的关系。
           
                 美国气体协会(AGA)在其#3报告中提供了使用孔板计算任何气体的体积流量的公式,以补偿气体压力和温度的变化。
           
                 此处显示了该公式的一种变体(与本节中的先前公式一致):
          AGA孔板配方
          其中,
          • Q =体积流量(SCFM =每分钟标准立方英尺)
          • N =单位转换系数
          • C =排放系数(考虑能量损失,雷诺数校正,压力抽头位置等)
          • Y =气体膨胀系数
          • A1 =交叉嘴
          • 的截面积A2 =喉部的截面积
          • Zs =标准条件
          • 下气体的压缩系数Zf1 =流动条件下气体的压缩系数,上游
          • Gf =气体的比重(与环境空气相比的密度)
          • T =绝对温度气体
          • P1 =上游压力(绝对值)
          • P2 =下游压力(绝对值)
           
                 该方程式意味着除了孔板产生的压差(P1-P2)之外,还连续测量管道内的绝对气体压力(P1)和绝对气体温度(T )。
           
                 这些测量可以通过三个独立的设备进行,它们的信号被发送到气流计算机:
           
          孔板流量计补偿
          流量变送器的压力和温度补偿
                 注意RTD(热电偶套管)的位置,它位于孔板的下游,因此它产生的湍流不会在孔板上产生额外的湍流。
           
                 美国气体协会(AGA)允许在热电偶套管的上游放置,但前提是必须位于流量调节器上游至少三英尺处。
           
                 为了非常好地控制实现良好节流孔计量精度所需的所有物理参数,贸易交接流量计装置的标准做法是使用珩磨的流量计管路而不是标准的管道和管件。
           
                 “珩磨管路”是一个完整的管道组件,包括用来固定孔板的制造配件以及上游和下游足够长的直管,该管的内表面经过机加工(“珩磨”)以具有光滑的玻璃表面。精确而对称的尺寸。
           
                 珩磨运行可确保对流动的气体或液体的干扰降到非常低,从而避免不必要的湍流和/或扭曲的流量分布,从而提高了测量精度。这样的管道“管路”非常昂贵,但是对于实现值得贸易交接的流量测量精度而言是必需的。
           
          孔板流量计
                 这张照片显示了一组符合AGA3标准的孔板流量计,用于测量天然气流量:
          孔板流量计,测量天然气流量
                 请注意特殊的变送器歧管,可同时容纳差压和绝对压力(罗斯蒙特3051型)变送器。
           
                 还要注意固定孔板的快速更换配件(带肋的金属外壳),以方便方便地更换孔板,这是由于磨损而经常需要的。在某些行业,每天更换孔板以确保精确测量所必需的尖锐的孔口边缘并非是闻所未闻的。
           
                 尽管在这张照片中看不到,但是这些流量计通过截止阀网络连接在一起,这些阀门将天然气流引导通过所需的尽可能少的流量计。当总气体流量很大时,所有流量计都将投入使用,并且将它们各自的流量加总以得出总流量测量值。
           
                 当总流量降低时,将关闭各个仪表管路,从而导致通过其余仪表管路的流速增加。
           
                 流量计的这种“分段”扩大了孔板作为流量传感元件的有效量程比或量程比,与使用单个(大型)孔板流量计相比,可在更宽的流量范围内实现更精确的流量测量。 。
           
          多变量变送器
                 在每米仪表上安装的多种仪器(压差,绝对压力和温度)的替代方法是使用单个多变量变送器,该变送器能够测量气体温度以及静压和压差。与多仪器方法相比,此方法具有安装更简单的优点:
          多变量变送器
           
                 罗斯蒙特3095MV型和横河电机EJX910型是设计用于执行补偿气体流量测量的多变量变送器的示例,该变送器配备了多个压力传感器,RTD温度传感器的连接端口以及足够的数字计算能力,可根据以下参数连续计算流量AGA方程。
           
                 这样的多变量变送器可以提供用于计算流速的模拟输出,或者提供可以将所有三个主要变量和计算流速传输到主机系统的数字输出(如上图所示)。
           
                 横河电机EJX910A提供了一个有趣的信号输出选项:一个数字脉冲信号,其中每个脉冲代表特定量的流体(体积或质量)。
           
                 该脉冲序列的频率表示流速,而在一段时间内计数的脉冲总数表示在该时间段内已通过孔板的流体总量。
           
          整体孔板
                 这张照片显示了罗斯蒙特3095MV变送器,用于测量纯氧气(气体)管线上的质量流量。孔板是变送器主体正下方的一个“整体”单元,夹在铜线上的两个法兰板之间。
           
                 一个三阀歧管将3095MV型变送器与整体孔板结构连接起来:
          整体孔板流量计
                 温度补偿RTD可以清晰地在照片的左侧看到,安装在铜管的弯头处。
           
                 液体流量测量应用也可能受益于补偿,因为液体密度会随温度变化。此处静压不是问题,因为出于所有实际目的,液体被认为是不可压缩的。
           
                 因此,用于补偿液体流量测量的公式不包括任何静压项,仅包括压差和温度:
          补偿液体流量测量
                 上式中的常数kT是随着温度升高液体膨胀的比例因子。
           
                 测得条件(T)与参考条件(Tref)之间的温度差乘以该系数,就可以确定与参考温度下的密度相比,液体的密度要低多少。
           
                 应该指出的是,某些液体(尤其是碳氢化合物)的热膨胀系数明显大于水。
           
                 如果测量原理是基于体积而不是基于质量,则这对于烃类液体流量测量的温度补偿非常重要。
           
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