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金属管浮子流量计的温压补偿原理


文章日期:2017-10-01|阅读数:


摘 要:介绍了金属管浮子流量计的工作原理,温压补偿算法,温压补偿技术,温压补偿型金属管浮子流量计结构组成、特点及应用,指出了金属管浮子流量计温压补偿技术的发展趋势。
 
0、引言:
  金属管浮子流量计(以下简称流量计)又称变面积式流量计或恒压降式流量计,是以流体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。具有可测量多种介质流量,特别适用于测量中小管径雷诺数较低的中小流量;压力损失小且稳定;反映灵敏,量程较宽(10:1),示值清晰,近似线性刻度;结构简单,价格便宜,使用维护方便;通过选用不同测量管及零部件材质,还可以测量具有腐蚀性的介质流量等特点。基于上述特点,流量计广泛应用于石油、 化工、冶金、制药、酿造、环保、发电等领域中的流量控制与测量系统。
 金属管浮子流量计根据用户提供的设计工况参数(如操作温度、操作压力、操作密度等)进行用水或气体流量换算、校准,当现场工况参数与设计工况参数相同或偏离极小时方可进行准确测量。
  但是现场应用时介质工况参数往往偏离设计参数较大,造成仪表测量准确度严重下降,尤其对于气体介质,由于其操作密度受压力、温度影响较大,仪表测量准确度下降尤其严重。为解决此问题,一般采取重新采购、加工仪表的措施,增加了成本,影响了正常开车生产。因此,如何提供一种金属管浮子流量计,适应现场工艺参数偏离设计参数的情况下,保证现场应用时不会造成仪表测量准确度下降,是本领域技术人员目前需要迫切解决的技术问题。金属管浮子流量计的温压补偿技术应用温压补偿算法,对仪表采集到的流量信号、温度信号、压力信号进行温度压力补偿综合计算,实现准确测量,很大程度上解决了上述问题。

1、工作原理:
  流量计工作原理如图1所示:
  流量计垂直安装在管道上,流体自下向上流经锥管,浮子在P1、P2差压作用下产生上升或下移,当浮子此差压(P2-P1)与浮子重力 G、浮力F、粘滞力合力平衡时,处于平衡状态。建立方程并推导(可参考相关专业资料,此处省略),忽略粘滞力影响,假设流量系数为常数,可得出浮子位 图1 金属管浮子流量计工作原理图移与流量成线性对应关系。浮子流量计的流量方程为:
图1 金属管浮子流量计工作原理图
图1 金属管浮子流量计工作原理图
计算公式

  式中:qv—工况 体 积 流 量,m3/s;α—流 量 系 数;ε—可 膨 胀 性 系 数;g—重 力 加 速 度,m/s2;Vf—浮子体积,m3;ρf—浮子材料密度,kg/m3;ρ—流体密度,kg/m3;Ff—浮子工作直径处的横截面积,m3;ΔF—流通环隙面积,m2。
  式中:D0—浮子***大直径;H—浮子上升的位置高度;δ—锥管锥角。由式可见,锥角δ较小时,二次方项值极小,可忽略不计,ΔF 可认为与 H 为线性关系,亦即流量与浮子位移为线性关系。由公式(1)可推导出以下公式:
计算公式

式中:qm—质量流量,kg/s;qNv—标况体积流量,Nm3/s;ρ0—介质标况密度,kg/m3。
2、温压补偿算法:
  流量计在测量气体介质时,当气体温度、压力不稳定,造成被测气体工况密度变化较大时,流量指示误差增大,此时应进行温度压力补偿计算,恢复仪表测量的准确性。具体推导、计算如下:
 
2.1、工况体积流量:
算法公式

式中:qv设 —设计工况体积流量,m3/s;qv实 —实际工况体积流量,m3/s;ρ设—被测气体设计压力、温度下工况密度,kg/m3;ρ实—被测气体实际压力、温度下工况密度,kg/m3。ρfρ设;ρfρ实;浮子位置不变,其他常数项不变,则式中:P设 —设计压力,Mpa;P实 —实际 绝 对 压 力,Mpa;T设 —设 计 温 度,K;T实 —实 际 温度,K。
计算公式

式中:P设 —设计压力,Mpa;P实 —实际 绝 对 压 力,Mpa;T设 —设 计 温 度,K;T实 —实 际 温度,K。

2.2 质量流量:推导过程与2.1基本相同,
得出  qm实qm设=ρ实ρ槡设=P实 T设P槡设 T实(6)
2.3 标况体积流量:推导过程与
2.1基本相同,得出 qNv实qNv设=ρ0设ρ0实ρ实ρ槡设=ρ0设ρ0实P实 T设P槡设 T实(7)如果设计与实际测量为同一气体介质,则ρ0设=ρ0实,得出
计算公式


3、温压补偿技术由温压补偿算法推导可知,当实际被测气体介质工作状态发生变化时(即压力 P、温度 T偏离设计)通过采集气体介质的压力、温度信号,通过公式(5)、(6)、(7)、(8)计算,即可实现温度压力在线实时补偿计算,得到准确的流量信号,此即为金属管浮子流量计温压补偿技术。

4、温压补偿型金属管浮子流量计结构组成、特点及应用:
4.1、分体式结构流量计、温度变送器、压力变送器单独安装,流量信号、温度信号、压力信号分别输入 DCS或控制计算器进行流量的温度、压力补偿计算,完成流量、压力、温度各参数的显示、输出、打印等功能。此种结构安装灵活,特别适用于现场流量计的升级改造,如图 2所示。

4. 2、一体式结构:
  流量计、温度传感器器、压力传感器集成一体化设计,流量信
图2分体式温压补偿型流量计结构示意图
图2分体式温压补偿型流量计结构示意图
  号、温度信号、压力信号输入到温压补偿功能设计的流量计转换器中,进行流量的温度、压力补偿计算,完成流量、压力、温度各参数的显示、输出、打印等功能。此种结构测量准确度高,体积小,安装方便,如图3所示:
  图3一体式温压补偿型流量计结构示意图i、金属管浮子流量计2、温度传感器3、压力传感器

    金属管浮子流量计由传感器(包括法兰、测量管、上导向器、浮子、锥管或孔板、下导向器、连接支架、连接螺钉等)和温压补偿型指示器及其内部零部件等构成。

5、结束语: 金属管浮子流量计温压补偿技术的发展、应用,实现了温度压力在线实时补偿计算,提高了流量计的测量准确度,降低用户的开车、维护成本。随着微电子技术的发展,温度、压力传感器结构的微型化,一体式温压补偿型流量计必然成为金属管浮子流量计温压补偿技术分发展的趋势。在越来越重视节约能源,测量控制的社会大环境下,温压补偿技术也必将得到广泛的应用。


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