王 東(承德菲時博特自動化設(shè)備有限公司 承德 067000)

金屬管浮子流量計的溫壓補償技術(shù)

王 東
(承德菲時博特自動化設(shè)備有限公司 承德 067000)

介紹了金屬管浮子流量計的工作原理，溫壓補償算法，溫壓補償技術(shù)，溫壓補償型金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)組成、特點及應(yīng)用，指出了金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)的發(fā)展趨勢。

金屬管浮子流量計；溫壓補償；分體式；一體式

0 引言

金屬管浮子流量計(以下簡稱流量計)又稱變面積式流量計或恒壓降式流量計，是以流體流動時的節(jié)流原理為基礎(chǔ)的一種流量測量儀表。具有可測量多種介質(zhì)流量，特別適用于測量中小管徑雷諾數(shù)較低的中小流量；壓力損失小且穩(wěn)定；反映靈敏，量程較寬(10:1)，示值清晰，近似線性刻度；結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，使用維護方便；通過選用不同測量管及零部件材質(zhì)，還可以測量具有腐蝕性的介質(zhì)流量等特點?；谏鲜鎏攸c，流量計廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、制藥、釀造、環(huán)保、發(fā)電等領(lǐng)域中的流量控制與測量系統(tǒng)。

金屬管浮子流量計根據(jù)用戶提供的設(shè)計工況參數(shù)(如操作溫度、操作壓力、操作密度等)進行用水或氣體流量換算、校準，當現(xiàn)場工況參數(shù)與設(shè)計工況參數(shù)相同或偏離極小時方可進行準確測量。但是現(xiàn)場應(yīng)用時介質(zhì)工況參數(shù)往往偏離設(shè)計參數(shù)較大，造成儀表測量準確度嚴重下降，尤其對于氣體介質(zhì)，由于其操作密度受壓力、溫度影響較大，儀表測量準確度下降尤其嚴重。為解決此問題，一般采取重新采購、加工儀表的措施，增加了成本，影響了正常開車生產(chǎn)。因此，如何提供一種金屬管浮子流量計，適應(yīng)現(xiàn)場工藝參數(shù)偏離設(shè)計參數(shù)的情況下，保證現(xiàn)場應(yīng)用時不會造成儀表測量準確度下降，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要迫切解決的技術(shù)問題。金屬管浮子流量計的溫壓補償技術(shù)應(yīng)用溫壓補償算法，對儀表采集到的流量信號、溫度信號、壓力信號進行溫度壓力補償綜合計算，實現(xiàn)準確測量，很大程度上解決了上述問題。

圖1 金屬管浮子流量計工作原理圖

1 工作原理

流量計工作原理如圖1所示：

流量計垂直安裝在管道上，流體自下向上流經(jīng)錐管，浮子在P1、P2差壓作用下產(chǎn)生上升或下移，當浮子此差壓(P2-P1)與浮子重力G、浮力F、粘滯力合力平衡時，處于平衡狀態(tài)。建立方程并推導(可參考相關(guān)專業(yè)資料，此處省略)，忽略粘滯力影響，假設(shè)流量系數(shù)為常數(shù)，可得出浮子位移與流量成線性對應(yīng)關(guān)系。浮子流量計的流量方程為：

(1)

式中：qv—工況體積流量，m3/s；α—流量系數(shù)；ε—可膨脹性系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；Vf—浮子體積，m3；ρf—浮子材料密度，kg/m3；ρ—流體密度，kg/m3；Ff—浮子工作直徑處的橫截面積，m3; ΔF—流通環(huán)隙面積，m2。

(2)

式中：D0—浮子最大直徑；H—浮子上升的位置高度；δ—錐管錐角。

由式可見，錐角δ較小時，二次方項值極小，可忽略不計，ΔF可認為與H為線性關(guān)系，亦即流量與浮子位移為線性關(guān)系。

由公式(1)可推導出以下公式：

(3)

(4)

式中：qm—質(zhì)量流量，kg/s ;qNv—標況體積流量，Nm3/s ;ρ0—介質(zhì)標況密度，kg/m3。

2 溫壓補償算法

流量計在測量氣體介質(zhì)時，當氣體溫度、壓力不穩(wěn)定，造成被測氣體工況密度變化較大時，流量指示誤差增大，此時應(yīng)進行溫度壓力補償計算，恢復儀表測量的準確性。具體推導、計算如下：

2.1 工況體積流量：

式中：qv設(shè)—設(shè)計工況體積流量，m3/s；qv實—實際工況體積流量，m3/s；ρ設(shè)—被測氣體設(shè)計壓力、溫度下工況密度，kg/m3；ρ實—被測氣體實際壓力、溫度下工況密度，kg/m3。

ρf?ρ設(shè)；ρf?ρ實；浮子位置不變，其他常數(shù)項不變，則

(5)

式中：P設(shè)—設(shè)計絕對壓力，Mpa；P實—實際絕對壓力，Mpa；T設(shè)—設(shè)計溫度，K；T實—實際溫度，K。

2.2 質(zhì)量流量：推導過程與2.1基本相同，得出

(6)

2.3 標況體積流量：推導過程與2.1基本相同，得出

(7)

如果設(shè)計與實際測量為同一氣體介質(zhì)，則ρ0設(shè)=ρ0實，得出

(8)

3 溫壓補償技術(shù)

由溫壓補償算法推導可知，當實際被測氣體介質(zhì)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(即壓力P、溫度T偏離設(shè)計)通過采集氣體介質(zhì)的壓力、溫度信號，通過公式(5)、(6)、(7)、(8)計算，即可實現(xiàn)溫度壓力在線實時補償計算，得到準確的流量信號，此即為金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)。

圖2 分體式溫壓補償型流量計結(jié)構(gòu)示意圖

4 溫壓補償型金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)組成、特點及應(yīng)用

4.1 分體式結(jié)構(gòu)

流量計、溫度變送器、壓力變送器單獨安裝，流量信號、溫度信號、壓力信號分別輸入DCS或控制計算器進行流量的溫度、壓力補償計算，完成流量、壓力、溫度各參數(shù)的顯示、輸出、打印等功能。此種結(jié)構(gòu)安裝靈活，特別適用于現(xiàn)場流量計的升級改造，如圖2所示。

4.2 一體式結(jié)構(gòu)

流量計、溫度傳感器器、壓力傳感器集成一體化設(shè)計，流量信號、溫度信號、壓力信號輸入到溫壓補償功能設(shè)計的流量計轉(zhuǎn)換器中，進行流量的溫度、壓力補償計算，完成流量、壓力、溫度各參數(shù)的顯示、輸出、打印等功能。此種結(jié)構(gòu)測量準確度高，體積小，安裝方便，如圖3所示:

圖3 一體式溫壓補償型流量計結(jié)構(gòu)示意圖1、金屬管浮子流量計 2、溫度傳感器 3、壓力傳感器

金屬管浮子流量計由傳感器(包括法蘭、測量管、上導向器、浮子、錐管或孔板、下導向器、連接支架、連接螺釘?shù)?和溫壓補償型指示器及其內(nèi)部零部件等構(gòu)成。

5 結(jié)束語

金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用，實現(xiàn)了溫度壓力在線實時補償計算，提高了流量計的測量準確度，降低用戶的開車、維護成本。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，溫度、壓力傳感器結(jié)構(gòu)的微型化，一體式溫壓補償型流量計必然成為金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)分發(fā)展的趨勢。在越來越重視節(jié)約能源，精確測量控制的社會大環(huán)境下，溫壓補償技術(shù)也必將得到廣泛的應(yīng)用。

[1] 徐英華.《浮子流量計》.中國計量出版社，2009.

[2] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.JB/T6844-2015《金屬管浮子流量計》.機械工業(yè)出版社，2016.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG257-2007《浮子流量計》.中國計量出版社，2007.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.&中國國家標準化管理委員會GB/T30121-2013《工業(yè)鉑熱及鉑感溫元件電阻》.中國計量出版社，2014.

[5] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.JB/T10726-2007《擴散硅式壓力變送器》.機械工業(yè)出版社，2007.

Temperature and pressure compensation technology for metal tube float flowmeter

WANG Dong
(ChengdeFeishiBoteAutomationEquipmentCo.,Ltd,ChengdeHebei067000,China)

This paper introduces the working principle of metal tube float flowmeter, temperature and pressure compensation algorithm, temperature and pressure compensation technology. At the same time, it also introduces the structure, characteristics and application of metal tube float flowmeter with temperature and pressure compensation. Then the paper points out the development trend of the temperature and pressure compensation technology of metal tube float flowmeter.

Metal tube float flowmeter; Temperature and pressure compensation; Split type; Integral type

2017-04-20

河北省科技計劃項目(17391705D)

王 東(1968-)，男，河北承德人，工程師，主研工業(yè)儀表自動化、智能化及近遠程通訊與控制.

1001-9383(2017)02-0020-04

TH814

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