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温压补偿在气体流量测量中的应用探讨
点击次数:510 发布时间:2015-03-14

一、前言
由于气体的可压缩性,决定了其流量测量的复杂性,气体的实际流量除了与仪表的测量信号有关,还与气体的实时密度有关,而气体的密度又是温度和压力(简称温压) 的函数。所以,气体的流量测量普遍存在温压补偿问题。根据被测气体的类型,选用合适的补偿函数,实施温压自动补偿。
大部分气体,可近似地视为理想气体,其密度可用经过补正的理想气体状态方程来表示。有的气体,如水蒸气,即有别于理想气体,其密度不宜简单地用理想气体状态方程来表示。气体又有干、湿之分,对于湿气体,其密度除了与温度、压力有关外,还与湿度有关。
近年来,不断涌现的智能化仪表,使气体流量测量的温压补偿变得简便而,从而提高了测量精度。
二、干气体流量测量的温压补偿
目前,气体的流量测量大部分采用差压流量测量,其流量基本方程式为:

式中: q为被测气体在工作状态下的体积流量; ρ为被测气体在工作状态下的密度; Δp为差压; K为系数,它包含流量系数、膨胀系数、管道孔径等参数。严格说,它也受温压影响,只是,在常用温压下,这一影响可以忽略。本文讨论的温压补偿是指补偿密度随温压变化所造成的影响。
在实际使用中,仪表的标尺是以标准状态下的流量qn为刻度。根据管道内气体流量满足连续性方程:
qnρn = qρ ( 2)
式中,带下标“n"的参数为标准状态下的值。由此可得到流量在两种状态(标准状态和工作状态)下的转换式:

而仪表的刻度是按设计工况设置的,即:

式( 4) 、式( 5) 相除即可得到当工况偏离设计值时密度的补偿公式:

式中,带下标“s"的参数为设计值。
再由气体状态方程导出的在不同状态下气体的密度转换式:

便可得到通常使用的温压补偿公式:

从式(8) 可见,当气体的实际工况与设计工况相同时,流量计的示值与实际值相符(仅与差压有关) ,当实际工况偏离设计工况时,实际流量还会随着温度、压力的变化而变化。例如,压力变化25%,流量就会相差50%,可见误差极大。因此,气体流量测量必须进行温压补偿。
三、湿气体流量测量的温压补偿
湿气体与干气体的不同点是,其密度除了与温度、压力有关外,还与湿度有关。虽然湿度对测量的影响与温压比较相对较小,但与仪表的精度比,即不可忽略。湿气体的密度可用下式表示:

式中: 0. 804 为温度0℃,一个标准大气压下,水蒸气的密度,kg /m3 ; ρ0、T0、Pn
分别表示气体在0℃,一个
标准大气压下的密度、温度、压力; F 为气体的湿度,kg /m3 ; Z 为气体压缩系数。
将式( 9) 代入式( 6) 即得到包含湿度补正的湿气体温压补偿公式:

在工业中,有相当一部分湿气体在通常情况下是饱和气体,如: 焦炉煤气,高炉煤气,混合煤气等。这类气体的湿度是温度的单值函数,这使得有可能在进行温压补偿的同时实现对湿度的补正。对于混合煤气,其密度还受成分配比波动的影响,可以利用智能化仪表丰富的功能,一并实现温度、压力、湿度、配比的自动综合补正。
四、水蒸气流量测量的温压补偿
水蒸气流量计的标尺通常是以质量流量qm为刻度
的,其流量基本公式是:

其密度的补偿公式为:

前面提到,水蒸气不等同于理想气体,其密度与温度、压力没有现成的、的函数关系式,只能从手册中,根据温度和压力查表找出相应的密度。用户若需要使用常规仪表实施自动温压补偿,尚须建立合适的数学模型。水蒸气密度的数学模型有多种形式,下面列出两种常用的数学模型形式,谨供参考。
对于干饱和水蒸气,有:
ρ=a+bP
对于过热水蒸气,有:

上述数学模型的诸常数: a,b 与A,B,C,D 的求法,可参考相关文献。将上述数学模型代入式(12) 即可得到水蒸气的温压补偿公式。
近年来,有些智能化流量计内部芯片存有水蒸气密度表,可实现测量,还可将质量流量转换成热流量,以便对能源进行更有效的管理。
五、其它类型流量计也存在温压补偿问题
近年来,一些新型流量计逐步得到推广应用,它们的测量原理不同于孔板,各有特色。某些说明书特别指出,本流量计不受密度影响。有些用户可能认为,采用此类流量计不用进行温压补偿了。其实不然,使用此类流量计测量气体,同样存在温压补偿问题。例如涡街流量计,通过检测涡街频率f,根据f 与流速v 成正比而求得气体的体积流量。其f 与v 的关系式为:

式中: d 为漩涡发生体迎着流向的宽度; D 为管道内径; Sr 为斯特劳哈尔常数。
从公式本身看,流体的体积流量与密度无关。但涡街流量计所检测到的体积流量是工作状态下的流量q。而仪表的标尺是应与标准状态下的流量为刻度的。
它们之间的换算关系式就是前面推得的式( 3) ,即:

由此可见,虽然原理表达式中流量与密度无关,但是刻度的换算公式中却含有密度。因此,用此类仪表进行气体流量测量时,同样存在温压补偿问题,只是补偿公式不同而已。否则,仪表的示值就不能反映真实流量,其误差也是很大的。
气体流量测量普遍存在温压补偿问题,这是由气体的特性所确定了的。因此,在气体流量测量系统中,温压补偿是其中一个不可缺少的环节。若缺少这一环节,或不给于应有的重视,就会给测量带来误差,有时误差可高达百分之数十,甚至更大,使仪表的示值变得毫无意义。
对于超过常用温压范围而又要进行更测量时,还可选用近年来开发的全补偿式流量计,它可同时补偿式(1) 中的系数K 因温压变化所造成的影响。

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