高文平

摘要：該文介紹了煤礦瓦斯抽放管道中氣體流量傳感器溫度和壓力補(bǔ)償方法；本文針對煤礦管道氣體流量傳感器的具體工作環(huán)境，當(dāng)溫度和壓力與設(shè)計(jì)工況發(fā)生偏移時(shí)，如何對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放；溫度補(bǔ)償；壓力補(bǔ)償

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0244-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

煤礦瓦斯抽放管道中氣體流量傳感器采用差壓原理對氣體流量進(jìn)行測量。由于其工作在煤礦瓦斯抽放管道中，在傳感器實(shí)際運(yùn)行過程中實(shí)際的工況會偏離設(shè)計(jì)工況，溫度和壓力的變化會引起氣體密度的變化，密度的變化會造成測量結(jié)果誤差的增大，所以需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正[1]?，F(xiàn)場可以方便測量氣體的壓力和溫度，很難測量氣體的密度。氣體的密度和溫度、壓力有對應(yīng)關(guān)系，所以可以通過溫度和壓力的補(bǔ)償來抵消氣體密度變化對流量測量的影響。從這個(gè)角度來看，溫度和壓力補(bǔ)償實(shí)際上就是對密度的補(bǔ)償。所謂流量測量時(shí)的溫度、壓力補(bǔ)償就是將流量傳感器所檢測到的流量數(shù)據(jù)，根據(jù)被測氣體當(dāng)時(shí)工況溫度、工況壓力，通過一定的公式和方法得到流體實(shí)際的流量[2]。我們可以通過流量測量的基本公式、流量狀態(tài)的換算公式以及氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出氣體測量時(shí)溫壓補(bǔ)償公式。

2 溫壓補(bǔ)償公式推導(dǎo)

氣體差壓流量計(jì)的基本運(yùn)算公式為：

（1）

式中：q為氣體體積流量m3/min；C為流出系數(shù)；ε為可膨脹性系數(shù)；D為管道的直徑，m；ρ為被測氣體的密度kg/m3 ；Δp為節(jié)流件前后差壓Pa。

用差壓式流量計(jì)測量氣體流量時(shí)，當(dāng)被測氣體的實(shí)際參數(shù)（溫度、壓力）與設(shè)計(jì)的參數(shù)不一致時(shí)，其流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε、孔徑D，密度ρ等值都會改變，影響流量計(jì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)太多，應(yīng)重新計(jì)算差壓與流量之間的關(guān)系。當(dāng)溫度和壓力與設(shè)計(jì)時(shí)采用的值偏差不大，對流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε、孔徑D的影響極小，則只需要考慮密度P的變化，此時(shí)我們就可以通過溫壓補(bǔ)償?shù)姆绞綄α髁繙y量結(jié)果進(jìn)行修正[3]。本文討論的溫壓補(bǔ)償是指補(bǔ)償密度隨溫度、壓力變化對測量結(jié)果造成的影響。因此（1）式可以簡化為：

（2）

由于氣體是可壓縮的，即同一質(zhì)量的氣體在不同壓力、不同溫度下的體積是不同的，所以計(jì)量氣體時(shí)都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，即溫度t=0℃（或20℃），壓力P=101.33kPa即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的體積來計(jì)算[4]。上式為工作狀態(tài)下的氣體體積流量，因此工作狀態(tài)下所得的體積還需換到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，其換算公式可由氣體狀態(tài)方程PV=ZRT（R為常數(shù)1）推導(dǎo)得出：

式中：q 為工作狀態(tài)下的氣體體積流量，qn 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量，T為工作狀態(tài)下氣體溫度，Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，P為工作狀態(tài)下的氣體壓力，Pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Z為壓縮系數(shù)[5]。

通常在低壓下，氣體壓縮系數(shù)Z變化非常小，故忽略其影響，則（3）式可簡化為：

工作狀態(tài)下的氣體密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度也可以換算，其換算公式可由質(zhì)量守恒定律得出：

式中ρ， ρn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度。

將（4）、（5）帶人（2）式，得

當(dāng)實(shí)際的工作條件偏離節(jié)流裝置設(shè)計(jì)時(shí)的條件時(shí)，節(jié)流裝置測得的氣體流量需要進(jìn)行修正。設(shè)qn設(shè)為設(shè)計(jì)條件時(shí)的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，帶人（6）式

設(shè)qn實(shí)為實(shí)際工作條件時(shí)的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，帶入（6）式

（7）式和（8）式相比，得出：

式（9）即為實(shí)際工作條件偏離設(shè)計(jì)條件時(shí)的流量修正公式，即差壓式流量計(jì)的溫壓補(bǔ)償公式。

3補(bǔ)償公式應(yīng)用

對于溫壓補(bǔ)償公式在應(yīng)用時(shí)，我們需要注意的是公式中的溫度和壓力均為絕對溫度和絕對壓力，對于溫度變送器和壓力變送器檢測到的溫度和壓力值要通過換算才能帶入補(bǔ)償公式中，我們將通過實(shí)例來說明。

煤礦管道氣體流量傳感器，設(shè)計(jì)最大流量為800m3/min，設(shè)計(jì)溫度為20℃，設(shè)計(jì)壓力為10kPa（表壓），煤礦現(xiàn)場大氣壓為92kPa，現(xiàn)差壓變送器開方后指示為50%，溫度顯示25℃，現(xiàn)場表壓為40kPa，則現(xiàn)在實(shí)際的流量值計(jì)算如下：

需要特別注意的是，壓力在由表壓力換算為絕對壓力的時(shí)候，應(yīng)將當(dāng)?shù)卮髿鈮簻p去表壓力，并非一定是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因各地大氣壓不完全與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓一致，必須要了解流量計(jì)使用地點(diǎn)的大氣壓力。

4 結(jié)束語

差壓式流量計(jì)在測量氣態(tài)介質(zhì)流量時(shí)，為了確保測量結(jié)果準(zhǔn)確，需要增加溫度、壓力檢測裝置，溫度、壓力信號應(yīng)與流量信號一起接入儀表按照上述方法對流量測量結(jié)果加以修正，以消除測量誤差，提高測量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫傳友.感測技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：57-89.

[2] 林玉池，曾周來.現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：117-153.

[3] 黃焰.機(jī)車底盤銷釘故障光電檢測程序設(shè)計(jì)[J].軟件，2013，34（12）：18-21.

[4] R·F·格拉夫.電子電路百科全書[M].北京：科學(xué)出版社，1989：27-42.

[5] 羅嗣彬.云資源池中基于命令行接口的硬件自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2013，34（12）：56-59.

[6] 新編電子電路大全[M].北京：中國計(jì)量出版社，2001.

[7] 何立民.單片機(jī)高級教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：20-89 .

[8] 李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001：147-160 .

[9] 孫肖子.實(shí)用電子電路手冊[M].北京：高等教育出版社，1992：300-306.

[10] 沈航，龐觀士，林詩美.物聯(lián)網(wǎng)工控平臺現(xiàn)場級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究和設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2016，6（10）：94-98.

[11] 李驍洋.基于DS18B20礦用低壓電纜接線盒溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2016，6（8）：71-74.

[12] 錢信培.孔板流量計(jì)在燃?xì)庥?jì)量中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，1990，10（4）：18-20.

[13] 時(shí)文平.煤氣計(jì)量過程的密度補(bǔ)償[J].煤氣與熱力，1996，16（6）：29-31.

[14] 王杏芳，李恒敬，嚴(yán)益劍.天然氣灶前壓力和溫度對供銷差率的影響[J].煤氣與熱力，2007，27（10）：46 -49.

[15] 李自皋，劉佳，盧宏明.在DCS中實(shí)現(xiàn)蒸汽流量測量溫壓補(bǔ)償?shù)耐緩胶头椒╗J].石油化工自動(dòng)化，2007（2）：64-67.

[16] 張芷華，高秀民，肖強(qiáng).燃?xì)饬髁坑?jì)的精度分析與選用[J].煤氣與熱力，2003，23（6）：376-378.

[17] 劉君，肖晉予，李繼華，等.多參數(shù)補(bǔ)償天然氣計(jì)量裝置的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2007，27（1）：7-9.

[18] 李永平.焦?fàn)t煤氣標(biāo)準(zhǔn)孔板的計(jì)算[J].煤氣與熱力，1998，18（1）：34-36.

[19] 于立新.孔板流量計(jì)的改裝[J].煤氣與熱力，1992，12（5）：27-29.

[20] 孫淮清，王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】