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
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0、0q和0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、vq和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;
为孔板的锥角,;f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
流量系数是一个与雷诺数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,可以不考虑的影响,认为=0,所以式(2-3)可以改写为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f=f0,根据式(2-4),测量气体时流量换算公式可以写为式中0为标定介质标定时的密度,kg/m3;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=P/RT的气体的刻度换算公式为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=P/RT的气体的刻度换算公式为式中01为使用气体在刻度状态下而非使用状态下的密度,kg/m3;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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