金屬管浮子流量計的溫壓補償技術(shù)

上海自動化儀表廠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(shù)，溫壓補償型金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)組成、特點及應(yīng)用，指出了金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)的發(fā)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(jié)流原理為基礎(chǔ)的一種流量測量儀表。具有可測量多種介質(zhì)流量，特別適用于測量中小管徑雷諾數(shù)較低的中小流量；壓力損失小且穩(wěn)定；反映靈敏，量程較寬（１０：１），示值清晰，近似線性刻度；結(jié)構(gòu)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(zhì)，還可以測量具有腐蝕性的介質(zhì)流量等特點?；谏鲜鎏攸c，流量計廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、制藥、釀造、環(huán)保、發(fā)電等領(lǐng)域中的流量控制與測量系統(tǒng)。

金屬管浮子流量計根據(jù)用戶提供的設(shè)計工況參數(shù)（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(xiàn)場工況參數(shù)與設(shè)計工況參數(shù)相同或偏離極小時方可進行準確測量。但是現(xiàn)場應(yīng)用時介質(zhì)工況參數(shù)往往偏離設(shè)計參數(shù)較大，造成儀表測量準確度嚴重下降，尤其對于氣體介質(zhì)，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(chǎn)。因此，如何提供一種金屬管浮子流量計，適應(yīng)現(xiàn)場工藝參數(shù)偏離設(shè)計參數(shù)的情況下，保證現(xiàn)場應(yīng)用時不會造成儀表測量準確度下降，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要迫切解決的技術(shù)問題。金屬管浮子流量計的溫壓補償技術(shù)應(yīng)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(xiàn)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(jīng)錐管，浮子在Ｐ１、Ｐ２差壓作用下產(chǎn)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(tài)。建立方程并推導(dǎo)（可參考相關(guān)專業(yè)資料，此處省略），忽略粘滯力影響，假設(shè)流量系數(shù)為常數(shù)，可得出浮子位移與流量成線性對應(yīng)關(guān)系。浮子流量計的流量方程為：

（1）

式中：

ｑｖ—工況體積流量，ｍ３／ｓ；

α—流量系數(shù)；ε—可膨脹性系數(shù)；

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(huán)隙面積，ｍ２。

(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(guān)系，亦即流量與浮子位移為線性關(guān)系。由公式（１）可推導(dǎo)出以下公式：

式中：

ｑｍ—質(zhì)量流量，ｋｇ／ｓ；

ｑＮｖ—標況體積流量，Ｎｍ３／ｓ；

ρ０—介質(zhì)標況密度，ｋｇ／ｍ３。

２　溫壓補償算法

流量計在測量氣體介質(zhì)時，當氣體溫度、壓力不穩(wěn)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(yīng)進行溫度壓力補償計算，恢復(fù)儀表測量的準確性。具體推導(dǎo)、計算如下：

２．１　工況體積流量：

式中：

ｑ ｖ 設(shè) —設(shè)計工況體積流量， ｍ３ ／ｓ ；

ｑ ｖ 實 —實際工況體積流量， ｍ３ ／ｓ ；

ρ 設(shè) —被測氣體設(shè)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(shè) ； ρ ｆ ? ρ 實 ；浮子位置不變，其他常數(shù)項不變，則

(5）

２．２　質(zhì)量流量：推導(dǎo)過程與２．１基本相同，得出

（6）

２．３　標況體積流量：推導(dǎo)過程與２．１基本相同，得出

（7）

如果設(shè)計與實際測量為同一氣體介質(zhì)，則 ρ０ 設(shè) ＝ ρ ０ 實 ，得出

(8）

３　 溫壓補償技術(shù)

由溫壓補償算法推導(dǎo)可知，當實際被測氣體介質(zhì)工作狀態(tài)發(fā)生變化時（即壓力 Ｐ 、溫度 Ｔ偏離設(shè)計）通過采集氣體介質(zhì)的壓力、溫度信號，通過公式（５ ）、（ ６ ）、（ ７ ）、（ ８ ）計算，即可實現(xiàn)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(shù)。

４　 溫壓補償型金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)組成、特點及應(yīng)用

４．１　 分體式結(jié)構(gòu)

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(shù)的顯示、輸出、打印等功能。此種結(jié)構(gòu)安裝靈活，特別適用于現(xiàn)場流量計的升級改造。

４．２　 一體式結(jié)構(gòu)

流量計、溫度傳感器器、壓力傳感器集成一體化設(shè)計，流量信號、溫度信號、壓力信號輸入到溫壓補償功能設(shè)計的流量計轉(zhuǎn)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(shù)的顯示、輸出、打印等功能。此種結(jié)構(gòu)測量準確度高，體積小，安裝方便，金屬管浮子流量計由傳感器（包括法蘭、測量管、上導(dǎo)向器、浮子、錐管或孔板、下導(dǎo)向器、連接支架、連接螺釘?shù)龋┖蜏貕貉a償型指示器及其內(nèi)部零部件等構(gòu)成。

５　 結(jié)束語

金屬管浮子流量計溫壓補償技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用，實現(xiàn)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。上海自動化儀表廠隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，溫度、壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(shù)分發(fā)展的趨勢。在越來越重視節(jié)約能源，精確測量控制的社會大環(huán)境下，溫壓補償技術(shù)也必將得到廣泛的應(yīng)用。