劉雨豪，徐英，張濤，馮慶華，齊鋒鋒

（1 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津300072； 2 天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072； 3 中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司，四川成都610051； 4 天津市天大泰和自控儀表技術(shù)有限公司，天津300072）

引 言

流量測(cè)量是檢測(cè)科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，而流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究、建立和應(yīng)用對(duì)流量測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)發(fā)展有著重要意義，在國(guó)內(nèi)外均引起普遍重視。流量測(cè)量裝置的流量穩(wěn)定性、流量測(cè)量結(jié)果的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)表流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性是判斷流量標(biāo)準(zhǔn)裝置性能和計(jì)量精度的三個(gè)重要因素[1-3]，其中影響流量穩(wěn)定性的因素有很多，如何提高水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性也是近幾年國(guó)內(nèi)外一直研究探討的問(wèn)題。

在以往的研究中[4-5]，提高流量穩(wěn)定性大多是通過(guò)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)整管路的布局、優(yōu)化控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)經(jīng)典亨利定律得知，在溫度和水質(zhì)鹽度一定時(shí)，水源在不同的壓力條件下，會(huì)溶解不同體積的空氣，當(dāng)上游來(lái)水流經(jīng)減壓環(huán)節(jié)，由于壓力的降低會(huì)產(chǎn)生前后端壓差，從而會(huì)使水中的溶解氣在下游析出并成為游離的氣泡，當(dāng)這些氣泡和水一同在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中流動(dòng)時(shí)，會(huì)影響裝置的流量穩(wěn)定性和流量的計(jì)量精度。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)理論分析和利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為載體進(jìn)行了減壓釋放水中溶解氣實(shí)驗(yàn)，分析了水中溶解氣析出對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定性的影響，并引入微泡排氣閥對(duì)減壓釋放[6-7]出的游離氣泡[8]進(jìn)行捕捉分離，以提高水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性和計(jì)量精度。

1 減壓釋放水中溶解氣實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)

對(duì)于稀溶液或者難溶性氣體，在一定溫度和總壓較小的情況下，氣體溶質(zhì)在液相中的溶解度與它在氣相中的分壓呈正比，這一關(guān)系被稱為經(jīng)典亨利定律[9-10]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

在水質(zhì)含鹽度一定時(shí)，溶解氧氣在水中的含量由壓力和溫度[11-12]兩個(gè)因素決定，亨利系數(shù)E的大小反映了氣體組分在該溶劑中的溶解度大小。就溫度而言[13-14]，隨著溫度的升高，亨利系數(shù)E增大，則氣體在水中的溶解度減小。反之，溫度降低，亨利系數(shù)減小，氣體在水中的溶解度增大。在本文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持蓄水箱溫度恒定為25℃，單獨(dú)考慮壓力的變化對(duì)溶解氣釋放的影響。

由于氣、液相中溶質(zhì)的組成有各種不同的表示方法，因此亨利定律有各種不同的表達(dá)式，其中與溶質(zhì)濃度相關(guān)的表達(dá)式如下

從式（1）中可以得知，溫度一定時(shí)，當(dāng)溶解于稀溶液中的氣體溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓[15]不同時(shí)，其在稀溶液中的溶解度是不同的，因此根據(jù)該理論依據(jù)計(jì)算出溫度一定時(shí)不同壓力情況下氣體溶質(zhì)在稀溶液中的溶解度，計(jì)算并分析了三個(gè)不同壓力情況下空氣在1 m3水中的溶解度[16]變化情況。

設(shè)定環(huán)境和水體溫度為25℃，在該條件下，空氣在純水中的亨利系數(shù)E=7.3×106kPa：①當(dāng)絕對(duì)壓力為101.3 kPa，代入式（1）可得XA0=1.39×10-5；②當(dāng)絕對(duì)壓力為201.3 kPa，代入式（1）可得XA100=2.65×10-5；③當(dāng)絕對(duì)壓力為401.3 kPa，代入式（1）可得

XA300=5.49×10-5。

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出，不同壓力情況下，對(duì)應(yīng)的氣相溶質(zhì)空氣在1 m3稀溶液水中的溶解度CA為

通過(guò)上述計(jì)算并結(jié)合亨利定律，可知?dú)怏w溶質(zhì)在高壓條件下會(huì)溶解在稀溶液中，經(jīng)過(guò)減壓環(huán)節(jié)后，由于溶解度的變化，部分溶解氣體會(huì)從稀溶液中析出，從而達(dá)到減壓后氣體溶質(zhì)在稀溶液中新的溶解度平衡。

當(dāng)水經(jīng)水泵進(jìn)入水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置后，流經(jīng)管道彎頭、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等減壓環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生壓力損失，由于壓力的減小，勢(shì)必會(huì)在減壓過(guò)后的低壓下游釋放出水中的部分溶解氣，而這些被釋放的溶解氣將會(huì)形成微小氣泡隨著水流繼續(xù)前進(jìn)，繼而會(huì)影響水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性和計(jì)量精度。

2 溶解氣析出對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定性的影響

流量穩(wěn)定性是指“測(cè)量?jī)x器或裝置保持其流量計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力”，流量穩(wěn)定是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用一段時(shí)間內(nèi)的平均流量代替不斷變化的瞬時(shí)流量的基礎(chǔ)。目前，主要通過(guò)JJG 164—2000和JJG 643—2003 規(guī)程[17-18]中規(guī)定的流量穩(wěn)定性計(jì)算方法，對(duì)流量裝置累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性和累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算檢定。兩種計(jì)算方法均通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的流量穩(wěn)定性，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。

檢定規(guī)程中的累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性計(jì)算

檢定規(guī)程中的累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性計(jì)算

兩種測(cè)量方法具體實(shí)施時(shí)，累積時(shí)間內(nèi)流量穩(wěn)定性檢定，是指在一段連續(xù)的時(shí)間內(nèi)，頻繁連續(xù)地測(cè)量n(n≥60)個(gè)流量值，按照式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算；累積時(shí)間之間的流量穩(wěn)定性檢定，是指在連續(xù)的n(n≥10)個(gè)周期（累積時(shí)間）中，測(cè)量每一個(gè)周期的平均流量值，按照式（5）計(jì)算流量穩(wěn)定性。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次溶解氣析出[19-20]對(duì)流量穩(wěn)定性的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要采用天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在原有的浮子裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)改造，由于本次實(shí)驗(yàn)的目的是檢測(cè)并分析水中溶解氣析出對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性的影響，所以將原有管路中的一段管路拆下，并在該拆除部位安裝減壓閥進(jìn)行減壓作用，透明管便于觀察管道內(nèi)部流動(dòng)，微泡排氣閥進(jìn)行排氣作用，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 溶解氣析出實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Dissolved gas precipitation experimental device

本次實(shí)驗(yàn)的控制方法采用PLC 和變頻器進(jìn)行通訊，增加轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID 控制環(huán)節(jié)，通過(guò)控制水泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定從而實(shí)現(xiàn)流量的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[21-23]，再在此基礎(chǔ)上研究水中溶解氣的析出對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定的影響。

開(kāi)啟變頻器，水泵從水箱中抽水進(jìn)入水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，先通水一定時(shí)間用來(lái)排凈管道中原有空氣，然后調(diào)節(jié)減壓閥，進(jìn)行局部減壓，觀察減壓閥下游是否有氣泡產(chǎn)生，當(dāng)水流分別經(jīng)微泡排氣閥和開(kāi)關(guān)閥后，再利用PLC 數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)后端流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行采集，按照檢定規(guī)程中的流量穩(wěn)定性計(jì)算方法[17-18]計(jì)算累積時(shí)間之間和累積時(shí)間之內(nèi)的流量穩(wěn)定性，對(duì)比分析了有無(wú)微泡排氣閥時(shí)的流量穩(wěn)定性。

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在水經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后，可觀察到減壓閥出水口有肉眼可見(jiàn)的微小氣泡析出，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2(a)所示，示意圖如圖2(b)所示。

圖2 減壓釋放溶解氣微小氣泡析出Fig.2 Released dissolved gas tiny bubbles during decompression

這些氣泡隨著水流繼續(xù)在管道里流動(dòng)，當(dāng)水直接經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)閥而不經(jīng)過(guò)微泡排氣閥時(shí)，觀察到后端仍有氣泡排出，采集實(shí)時(shí)流量值后，計(jì)算得累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性在0.19%～0.35%（表1、表2），累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性在0.23%～0.27%（表3）；當(dāng)水經(jīng)過(guò)微泡排氣閥后，觀察微泡排氣閥后端無(wú)氣泡流出，再通過(guò)PLC采集流量計(jì)實(shí)時(shí)流量值，計(jì)算得累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性在0.16%～0.25%（表1、表2），累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性在0.15%～0.17%（表3）。

表1 水泵頻率27 Hz累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性Table 1 Flow rate stability within cumulative time of pump frequency 27 Hz

表2 水泵頻率38 Hz累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性Table 2 Flow rate stability within the cumulative time of the pump frequency 38 Hz

表3 累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性Table 3 Flow stability between accumulated times

3 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流量穩(wěn)定性與溶解氣的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比是否安裝微泡排氣閥進(jìn)行排氣可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后，水中原有溶解氣由于壓差而析出，繼而形成游離的微小氣泡，這些游離的微小氣泡隨著水流繼續(xù)在裝置管道內(nèi)流動(dòng)，這些微小氣泡不可忽略，當(dāng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表流量計(jì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流量的波動(dòng)，從而證明了水中溶解氣析出會(huì)影響水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性[24-25]。通過(guò)圖3、圖4 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)在無(wú)微泡排氣閥時(shí)四個(gè)頻率下流量穩(wěn)定性基本維持在0.25%左右，考慮溶解氣釋放這一因素后加入微泡排氣閥，此時(shí)流量穩(wěn)定性基本維持在0.15%左右，而且隨著頻率的增加，同一頻率下流量穩(wěn)定性的差距更為明顯，這是由于水泵頻率增加，從水箱抽水時(shí)壓力增大，水中溶解了更多的溶解氣，當(dāng)經(jīng)過(guò)減壓閥后，前后端壓差更大，會(huì)釋放出更多的游離氣泡，從而導(dǎo)致了流量的不穩(wěn)定性加強(qiáng)。

圖3 累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性對(duì)比Fig.3 Comparison of flow stability between accumulated time

圖4 累積時(shí)間內(nèi)流量穩(wěn)定性對(duì)比Fig.4 Comparison of flow stability during cumulative time

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論依據(jù)吻合

對(duì)于經(jīng)典亨利定律所闡述的內(nèi)容，稀溶液或者難溶性氣體，在一定溫度和總壓不大的情況下，氣體溶質(zhì)在液相中的溶解度與它在氣相中的分壓呈正比。其可以在水中溶解氣析出實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，純水在水箱中通過(guò)水泵抽取進(jìn)入水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，由于水泵抽水時(shí)會(huì)導(dǎo)致水壓上升，此時(shí)水中溶解了更多的空氣，經(jīng)過(guò)減壓環(huán)節(jié)后，由于壓力的降低，導(dǎo)致之前溶解的空氣析出形成微小的游離氣泡，直到水中的空氣和下游的低水壓達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡[26]，才停止溶解氣的析出，如圖5所示。

圖5 溶解氣動(dòng)態(tài)平衡圖Fig.5 Dissolved gas dynamic balance diagram

3.3 微泡排氣閥對(duì)提高流量穩(wěn)定性和計(jì)量精度的作用

根據(jù)亨利定律計(jì)算可得，當(dāng)絕對(duì)壓力PABS1為401.3 kPa，溫度為25℃時(shí)，空氣密度約為4.6764 kg/m3，則此工況下溶解氣質(zhì)量M1為88.45 g；當(dāng)將壓力降低至絕對(duì)壓力PABS2為201.3 kPa，溫度為25℃時(shí)，空氣密度約為2.3381 kg/m3，則溶解氣質(zhì)量M2為44.37 g。

根據(jù)上述計(jì)算，可得將壓力由401.3 kPa 降至201.3 kPa 時(shí)，會(huì)一共析出溶解氣44.08 g，但由于在減壓過(guò)程中，空氣的密度是在不斷變化的，所以在這里可以利用一個(gè)范圍來(lái)進(jìn)行釋放氣體占比的計(jì)算：假設(shè)在減壓過(guò)程中，一直維持壓力為401.3 kPa時(shí)的空氣密度4.6764 kg/m3，則析出空氣體積為0.00942 m3，占比為0.94%；假設(shè)在減壓過(guò)程中，一直維持壓力為201.3 kPa 時(shí)的空氣密度2.3381 kg/m3，則析出空氣體積為0.01885 m3，占比為1.88%。

由此可見(jiàn)，析出氣體所占比例在0.94%～1.88%之間，這些析出溶解氣的影響[27-28]不可忽略，通過(guò)引入微泡排氣閥可把液體中的氣泡含率降到0.5%，所以可以利用微泡排氣閥對(duì)減壓釋放出的游離氣泡進(jìn)行捕捉和分離，繼而提高裝置的流量穩(wěn)定性和流量的計(jì)量精度[29-30]。

4 結(jié) 論

本文借助天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了水中溶解氣析出對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定性影響的研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析得出結(jié)論如下。

（1）通過(guò)設(shè)置減壓環(huán)節(jié)對(duì)上游來(lái)水進(jìn)行減壓，觀察到減壓后的低壓下游會(huì)出現(xiàn)游離的微小氣泡。

（2）隨著水泵頻率的增加，流量增加，減壓釋放出的氣泡增多，水裝置流量不穩(wěn)定性加強(qiáng)。

（3）通過(guò)進(jìn)行有無(wú)微泡排氣閥的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，微泡排氣閥可以捕捉水中的游離氣泡，減小游離微小氣泡對(duì)水裝置的流量穩(wěn)定性影響，提高流量穩(wěn)定性和計(jì)量精度，可使流量穩(wěn)定性達(dá)到0.1%～0.2%。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由各種節(jié)流件組成的復(fù)雜水流量裝置在工作運(yùn)行時(shí)，勢(shì)必會(huì)在管路上產(chǎn)生壓力降低，當(dāng)產(chǎn)生一定的壓差時(shí)就會(huì)釋放出水中的溶解氣，如果忽略這些溶解氣的影響，就可能會(huì)對(duì)某些需要精密測(cè)量標(biāo)定的儀表儀器產(chǎn)生誤差，繼而影響后續(xù)的科學(xué)研究和實(shí)際使用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

CA——?dú)怏w溶質(zhì)A在液體中的濃度，kmol/m3

CA0,CA100,CA300——分別為氣體溶質(zhì)A 在表面壓力為0、100、300 Pa時(shí)在液體中的濃度，kmol/m3

E——亨利常數(shù)，Pa

Eq1——累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性

Eq2——累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性

Ei——計(jì)算累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性時(shí)，單次流量測(cè)量值與平均值的相對(duì)誤差

H——溶解度系數(shù)

k——檢定規(guī)程中規(guī)定的擴(kuò)展系數(shù)

M1,M2——分別為減壓前、減壓后水中溶解氣體的質(zhì)量，g

Ms——溶劑的摩爾質(zhì)量，g/mol

Rj——計(jì)算累積時(shí)間之內(nèi)流量穩(wěn)定性的相關(guān)函數(shù)

PA——溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓，Pa

PABS1,PABS2——分別為減壓前、減壓后絕對(duì)壓力，Pa

q2——在計(jì)算累積時(shí)間之間流量穩(wěn)定性時(shí)，計(jì)算而得的流量平均值

q2i——連續(xù)測(cè)量n次流量，一次內(nèi)連續(xù)取10 個(gè)以上瞬時(shí)流量值的平均值（i=1，2，…，n；n≥10）

XA——溶質(zhì)A在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，%

XA0,XA100,XA300——分別為氣體溶質(zhì)A 在表面壓力為0、100、300 Pa時(shí)在液體中的摩爾分?jǐn)?shù)，%

ρ——溶液密度，kg/m3