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詳細分析為什么孔板流量計需要壓力和溫度補償?

來源: 作者: 發布日期:2020-10-28

        當我們從孔板或文丘里管的壓力下降得出公式來預測流量時  ,我們不得不做出許多假設,其中主要的原因是運動流體中完全缺乏摩擦(即,沒有因摩擦而耗散的能量),并且非常好的流線流動(即完全沒有湍流)。可以說,到目前為止, 我們已經討論過的流程公式(先前的主題)僅是對現實的近似。

 
       在這方面,孔板是非常嚴重的違規者,因為流體會遇到穿過孔的幾何形狀突變。文丘里管幾乎是理想的,因為管子的機加工輪廓確保了流體壓力的逐漸變化并使湍流非常小化。
 
       但是,在現實世界中,我們必須經常使用不完善的技術來盡力而為。孔板盡管不能非常好地用作流量傳感元件,但安裝在法蘭管中既方便又經濟。
 
       孔板也是流量元件非常容易更換的類型,以防損壞或進行日常維護。
 
       在諸如貿易交接(也稱為“財政”計量)的應用中,流體的流量代表正在購買和出售的產品,流量測量的準確性至關重要。
 
       因此,重要的是弄清楚如何從通用孔板中獲得非常大的準確度,以便我們可以準確,經濟地測量流體流量。
 
       如果我們將通過產生壓力的主傳感元件的真實流量與理想方程式預測的理論流量進行比較,則可能會發現明顯的差異。這種差異的原因包括但不限于:
 
湍流和粘性導致的能量損失
  • 由于在管道和元件表面上的摩擦而導致的能量損失
  • 流量變化導致靜脈收縮的位置不穩定
  • 管道不規則引起的速度分布不均
  • 流體可壓縮性
  • 元件和管道的熱膨脹(或收縮)
  • 非理想的壓力抽頭位置
  • 粗糙的內部管道表面導致過度湍流
對于任何測量到的壓差量,真實流量與理論流量之間的比率稱為流量傳感元件的排放系數,由變量C表示。
 
       由于值1表示理論上的理想值,因此任何實際產生壓力的流量元件的C實際值將小于1:
流量傳感元件的流量系數
 
       對于氣體和蒸氣流,由于與氣體和蒸氣的可壓縮性有關的原因,實際流速比理論(理想)流量值偏離液體的程度更大。
 
       通過將任何流量元件的氣體排放系數與液體流量系數進行比較,可以計算出任何流量元件的氣體膨脹系數(Y)。
 
       與排放系數一樣,任何實際壓力生成元素的Y值都將小于1:
流量排放系數
       將這些因素合并到另一篇文章中討論的理想體積流量方程中(請單擊此處),我們得出以下公式:
理想體積流量方程
       如果我們愿意,我們甚至可以添加另一個因子來說明任何必要的單位轉換(N),在過程中擺脫常數√2:
體積流量方程-1
       可悲的是,在任何給定流量元件的整個測量范圍內,排放系數(C)和氣體膨脹系數(Y)都不會保持恒定。
 
       這些變量會隨著流量的變化而變化,這使得從壓差測量中準確推斷流量的任務變得更加復雜。
 
       但是,如果我們知道典型流動條件下的C和Y值,則大多數時候我們可能會獲得良好的精度。
 
       同樣,C和Y隨流量變化的事實也限制了使用前面看到的“比例常數”公式可獲得的精度。
 
       無論我們是測量體積流量還是質量流量,在一種特定的流量條件下計算出的k因子對于所有流量條件都不會保持恒定:
體積或質量流量
       這意味著在我們根據特定的流動條件計算出k的值之后,我們只能相信流動條件方程的結果與我們用來計算k的方程相差不大。
 
       在兩個流量方程中都可以看到,流體的密度(ρ)是重要的因素。如果流體密度相對穩定,我們可以將ρ視為一個常數,將其值合并到比例因子(k)中以使兩個公式更加簡單:
孔口流量方程
 
       但是,如果流體密度隨時間變化,我們將需要一些方法來連續計算ρ,因此推斷流量測量將保持準確。可變流體密度是氣體流量測量中的一種典型情況,因為根據定義,所有氣體都是可壓縮的。
 
       只需簡單地改變管道內的靜態氣體壓力即可使ρ發生變化,進而影響流量與壓差下降之間的關系。
 
       美國氣體協會(AGA)在其#3報告中提供了使用孔板計算任何氣體的體積流量的公式,以補償氣體壓力和溫度的變化。
 
       此處顯示了該公式的一種變體(與本節中的先前公式一致):
AGA孔板配方
其中,
  • Q =體積流量(SCFM =每分鐘標準立方英尺)
  • N =單位轉換系數
  • C =排放系數(考慮能量損失,雷諾數校正,壓力抽頭位置等)
  • Y =氣體膨脹系數
  • A1 =交叉嘴
  • 的截面積A2 =喉部的截面積
  • Zs =標準條件
  • 下氣體的壓縮系數Zf1 =流動條件下氣體的壓縮系數,上游
  • Gf =氣體的比重(與環境空氣相比的密度)
  • T =絕對溫度氣體
  • P1 =上游壓力(絕對值)
  • P2 =下游壓力(絕對值)
 
       該方程式意味著除了孔板產生的壓差(P1-P2)之外,還連續測量管道內的絕對氣體壓力(P1)和絕對氣體溫度(T )。
 
       這些測量可以通過三個獨立的設備進行,它們的信號被發送到氣流計算機:
 
孔板流量計補償
流量變送器的壓力和溫度補償
       注意RTD(熱電偶套管)的位置,它位于孔板的下游,因此它產生的湍流不會在孔板上產生額外的湍流。
 
       美國氣體協會(AGA)允許在熱電偶套管的上游放置,但前提是必須位于流量調節器上游至少三英尺處。
 
       為了非常好地控制實現良好節流孔計量精度所需的所有物理參數,貿易交接流量計裝置的標準做法是使用珩磨的流量計管路而不是標準的管道和管件。
 
       “珩磨管路”是一個完整的管道組件,包括用來固定孔板的制造配件以及上游和下游足夠長的直管,該管的內表面經過機加工(“珩磨”)以具有光滑的玻璃表面。精確而對稱的尺寸。
 
       珩磨運行可確保對流動的氣體或液體的干擾降到非常低,從而避免不必要的湍流和/或扭曲的流量分布,從而提高了測量精度。這樣的管道“管路”非常昂貴,但是對于實現值得貿易交接的流量測量精度而言是必需的。
 
孔板流量計
       這張照片顯示了一組符合AGA3標準的孔板流量計,用于測量天然氣流量:
孔板流量計,測量天然氣流量
       請注意特殊的變送器歧管,可同時容納差壓和絕對壓力(羅斯蒙特3051型)變送器。
 
       還要注意固定孔板的快速更換配件(帶肋的金屬外殼),以方便方便地更換孔板,這是由于磨損而經常需要的。在某些行業,每天更換孔板以確保精確測量所必需的尖銳的孔口邊緣并非是聞所未聞的。
 
       盡管在這張照片中看不到,但是這些流量計通過截止閥網絡連接在一起,這些閥門將天然氣流引導通過所需的盡可能少的流量計。當總氣體流量很大時,所有流量計都將投入使用,并且將它們各自的流量加總以得出總流量測量值。
 
       當總流量降低時,將關閉各個儀表管路,從而導致通過其余儀表管路的流速增加。
 
       流量計的這種“分段”擴大了孔板作為流量傳感元件的有效量程比或量程比,與使用單個(大型)孔板流量計相比,可在更寬的流量范圍內實現更精確的流量測量。 。
 
多變量變送器
       在每米儀表上安裝的多種儀器(壓差,絕對壓力和溫度)的替代方法是使用單個多變量變送器,該變送器能夠測量氣體溫度以及靜壓和壓差。與多儀器方法相比,此方法具有安裝更簡單的優點:
多變量變送器
 
       羅斯蒙特3095MV型和橫河電機EJX910型是設計用于執行補償氣體流量測量的多變量變送器的示例,該變送器配備了多個壓力傳感器,RTD溫度傳感器的連接端口以及足夠的數字計算能力,可根據以下參數連續計算流量AGA方程。
 
       這樣的多變量變送器可以提供用于計算流速的模擬輸出,或者提供可以將所有三個主要變量和計算流速傳輸到主機系統的數字輸出(如上圖所示)。
 
       橫河電機EJX910A提供了一個有趣的信號輸出選項:一個數字脈沖信號,其中每個脈沖代表特定量的流體(體積或質量)。
 
       該脈沖序列的頻率表示流速,而在一段時間內計數的脈沖總數表示在該時間段內已通過孔板的流體總量。
 
整體孔板
       這張照片顯示了羅斯蒙特3095MV變送器,用于測量純氧氣(氣體)管線上的質量流量。孔板是變送器主體正下方的一個“整體”單元,夾在銅線上的兩個法蘭板之間。
 
       一個三閥歧管將3095MV型變送器與整體孔板結構連接起來:
整體孔板流量計
       溫度補償RTD可以清晰地在照片的左側看到,安裝在銅管的彎頭處。
 
       液體流量測量應用也可能受益于補償,因為液體密度會隨溫度變化。此處靜壓不是問題,因為出于所有實際目的,液體被認為是不可壓縮的。
 
       因此,用于補償液體流量測量的公式不包括任何靜壓項,僅包括壓差和溫度:
補償液體流量測量
       上式中的常數kT是隨著溫度升高液體膨脹的比例因子。
 
       測得條件(T)與參考條件(Tref)之間的溫度差乘以該系數,就可以確定與參考溫度下的密度相比,液體的密度要低多少。
 
       應該指出的是,某些液體(尤其是碳氫化合物)的熱膨脹系數明顯大于水。
 
       如果測量原理是基于體積而不是基于質量,則這對于烴類液體流量測量的溫度補償非常重要。
 
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