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金屬管浮子流量計的溫壓補償技術

發布日期:2017-08-11  來源:  作者:  瀏覽次數:
【導讀】: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,溫壓補償型金屬管浮子流量計結構組成、特點及應用,指出了金屬管浮子流量計溫壓補償技術的發展趨勢。......

 摘 要: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,溫壓補償型金屬管浮子流量計結構組成、特點及應用,指出了金屬管浮子流量計溫壓補償技術的發展趨勢。

 
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,是以流體動時的節流原理為基礎的一種流量測量儀表。具有可測量多種介質流量,特別適用于測量中小管徑雷諾數較低的中小流量;壓力損失小且穩定;反映靈敏,量程較寬(10:1),示值清晰,近似線性刻度;結構簡單,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,還可以測量具有腐蝕性的介質流量等特點。基于上述特點,流量計廣泛應用于石油、化工、冶金、制藥、釀造、環保、發電等領域中的流量控制與測量系統。
 
         金屬管浮子流量計根據用戶提供的設計工況參數(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,當現場工況參數與設計工況參數相同或偏離極小時方可進行準確測量。但是現場應用時介質工況參數往往偏離設計參數較大,造成儀表測量準確度嚴重下降,尤其對于氣體介質,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。因此,如何提供一種金屬管浮子流量計,適應現場工藝參數偏離設計參數的情況下,保證現場應用時不會造成儀表測量準確度下降,是本領域技術人員目前需要迫切解決的技術問題。金屬管浮子流量計的溫壓補償技術應用溫壓補償算法,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,實現準確測量,很大程度上解決了上述問題。
 
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,流體自下向上流經錐管,浮子在P1、P2差壓作用下產生上升或下移,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。建立方程并推導(可參考相關專業資料,此處省略),忽略粘滯力影響,假設流量系數為常數,可得出浮子位移與流量成線性對應關系。浮子流量計的流量方程為:
金屬管浮子流量計工作原理圖
          20170811111859.jpg(1)
式中:
         qv—工況體積流量,m3/s;
         α—流量系數;ε—可膨脹性系數;
         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—流通環隙面積,m2。
         公式2(2)
式中:
         D0—浮子非常大直徑;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為線性關系,亦
         即流量與浮子位移為線性關系。由公式(1)可推導出以下公式:
         20170811112012.jpg
式中:
         qm—質量流量,kg/s;
         qNv—標況體積流量,Nm3/s;
         ρ0—介質標況密度,kg/m3。
 
2 溫壓補償算法
         流量計在測量氣體介質時,當氣體溫度、壓力不穩定,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:
                 流量公式
式中:
         q v 設 —設計工況體積流量, m3 /s ; 
         q v 實 —實際工況體積流量, m3 /s ;
         ρ 設 —被測氣體設計壓力、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 。
         ρ f  ρ 設 ; ρ f  ρ 實 ;浮子位置不變,其他常數項不變,則
          公式5(5)
2.2 質量流量:推導過程與2.1基本相同,得出
                20170811112220.jpg(6)
2.3 標況體積流量:推導過程與2.1基本相同,得出
                公式7(7)
         如果設計與實際測量為同一氣體介質,則 ρ0 設 = ρ 0 實 ,得出
         20170811112228.jpg(8)
3  溫壓補償技術
         由溫壓補償算法推導可知,當實際被測氣體介質工作狀態發生變化時(即壓力 P 、溫度 T偏離設計)通過采集氣體介質的壓力、溫度信號,通過公式(5 )、( 6 )、( 7 )、( 8 )計算,即可實現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。
 
4  溫壓補償型金屬管浮子流量計結構組成、特點及應用
 
4.1  分體式結構
         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、溫度各參數的顯示、輸出、打印等功能。此種結構安裝靈活,特別適用于現場流量計的升級改造,如圖 2所示。
分體式溫壓補償型 流量計結構示意圖
4.2  一體式結構
         流量計、溫度傳感器器、壓力傳感器集成一體化設計,流量信號、溫度信號、壓力信號輸入到溫壓補償功能設計的流量計轉換器中,進行流量的溫度、壓力補償計算,完成流量、壓力、溫度各參數的顯示、輸出、打印等功能。此種結構測量準確度高,體積小,安裝方便,如圖 3 所示:
一體式溫壓補償型流量計結構示意圖
         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、連接螺釘等)和溫壓補償型指示器及其內部零部件等構成。
 
5  結束語
         金屬管浮子流量計溫壓補償技術的發展、應用,實現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。隨著微電子技術的發展,溫度、壓力傳感器結構的微型化,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分發展的趨勢。在越來越重視節約能源,精確測量控制的社會大環境下,溫壓補償技術也必將得到廣泛的應用。

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