氣體體積流量測量中溫度和壓力修正的必要性

摘要:氣體流量測量中,溫度和壓力修正是提高氣體流量測量精度的重要手段之一。文中分別介紹溫度和壓力偏離設(shè)定值時(shí)對使用直接輸出流量計(jì)和差壓式流量計(jì)進(jìn)行流量測量所帶來的誤差,并通過工程實(shí)例示出溫度和壓力在8種極端變化狀況下產(chǎn)生的測量誤差,以對溫度和壓力變化造成的誤差提供一些量的概念。指出,如今實(shí)施溫度和壓力修正并不像以前單元組合儀表那樣麻煩,應(yīng)適當(dāng)考慮修正。最后給出幾點(diǎn)推薦性意見。

1 氣體體積流量的含義

氣體體積流量系指單位時(shí)間輸送管道中流過的氣體體積。氣體體積有工作狀態(tài)下體積和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積之分,它們都是指在某個(gè)壓力和某個(gè)溫度情況下的體積,后者是指壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為0℃(或20℃)時(shí)的氣體體積。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度多數(shù)指0℃,僅在某些場合,例如鼓風(fēng)機(jī)的流量,因多指風(fēng)機(jī)的入口狀態(tài),所以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度采用的是20℃。由于使用工作狀態(tài)流量參數(shù)時(shí),需說明相應(yīng)的工作溫度和壓力,這樣比較麻煩,并且在人們的腦海中不容易建立一個(gè)量的概念,因此,在工程中常使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量作為測量標(biāo)準(zhǔn)。

既然氣體的體積流量是指標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的流量,那么,當(dāng)介質(zhì)溫度和壓力偏離設(shè)定狀態(tài)時(shí),儀表測量的示值就會(huì)產(chǎn)生變化。變化有多大,是否需要修正,這就是本文所探討的問題。

2 溫度壓力變化對體積流量造成的誤差

2.1 直接輸出式流量計(jì)

所謂直接輸出的流量計(jì)是指流量信號不用開方處理的流量計(jì),例如渦街流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知

式中,p,t,v分別為氣體的壓力、溫度,以及在此溫度下的體積;c為常數(shù)。

對于某確定被測對象,其管道直徑確定后,式

(1)可改寫為式(2)和式(3)

式中,q為體積流量;p1s,t1s,q1s,p1w,t1w,q1w分別為選擇直接輸出式流量計(jì)時(shí)計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行時(shí)其壓力、溫度和流量值。由此可得壓力、溫度偏離設(shè)定值p1s和t1s時(shí)造成的流量誤差為

2.2 差壓式流量計(jì)

采用節(jié)流裝置測量流量時(shí),視被測氣體為不可壓縮氣體,其流量與節(jié)流裝置兩端的差壓δp的關(guān)系為

式中,k為常數(shù); r為隨壓力、溫度變化的氣體密度,并可用下式表達(dá):

式中,rn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(壓力為pn,溫度為tn)下被測氣體的密度。由式(5)和式(6)得到節(jié)流裝置在設(shè)定壓力、溫度下和在某個(gè)工作壓力、溫度下的體積流量表達(dá)式為:

上述式中,p2s,t2s,q2s,p2w,t2w,q2w分別為選擇差壓式流量計(jì)時(shí)計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行時(shí)其壓力、溫度和流量值。

由式(7)和式(8)得到壓力、溫度偏離設(shè)定值時(shí)造成的誤差為:

3 典型實(shí)例

下面給出幾個(gè)溫度和壓力修正的實(shí)例,通過一些具體數(shù)據(jù),說明實(shí)際使用中正確實(shí)施溫度和壓力修正的必要性。

例1,設(shè)定壓力p1s=0. 35mpa(絕對壓力),壓力變化范圍為0. 33~0. 37mpa。設(shè)定溫度t1s=313k,溫度變化范圍為293~333k。被測介質(zhì)為天然氣,采用渦街流量計(jì)測量。

將8個(gè)極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設(shè)定值代入式(4),得到其相應(yīng)的誤差δ1。表1列出了相應(yīng)各參數(shù)的情況。

由表1可見,當(dāng)溫度增大、壓力減小或溫度降低、壓力增大時(shí),也就是第2、第3種情況時(shí)產(chǎn)生的誤差最大。

例2,設(shè)定壓力p2s=0. 109mpa(絕對壓力),壓力變化范圍為0. 108~0. 110mpa。設(shè)定溫度ts=313k,溫度變化范圍為293~333k。被測介質(zhì)為高爐煤氣,采用差壓式流量計(jì)測量。

將8種極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設(shè)定值代入式(9),便可以得到其相應(yīng)的誤差δ2。表2列出了相應(yīng)各參數(shù)的情況。

由表2可見,溫度不變,壓力變化時(shí),總體上造成的誤差不大。

例3,設(shè)定壓力p2s=0. 7mpa(絕對壓力),壓力變化范圍0.3~0. 8mpa。設(shè)定溫度t2s=313k,溫度變化范圍為293~333 k。被測介質(zhì)為氮?dú)?采用差壓式流量計(jì)測量。

同樣將8種極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設(shè)定值代入式(9),得到其相應(yīng)的誤差δ2。表3列出了相應(yīng)各參數(shù)的情況。

由表3可見,第3~5種情況造成的誤差最大,這是因?yàn)檫@3種情況下的壓力波動(dòng)太大。

4 推薦意見

(1)由上面的典型例子可見,被測介質(zhì)在實(shí)際運(yùn)行中,由于壓力、溫度偏離設(shè)定值,所以會(huì)給流量的示值帶來不同程度的誤差。因此,作為計(jì)量用的能源介質(zhì)流量測量,都應(yīng)考慮溫度和壓力修正。

(2)對于不作為計(jì)量用的氣體流量測量,如果已獲得溫度、壓力信號,也應(yīng)該考慮溫度和壓力修正。因?yàn)楫?dāng)今的二次儀表或作為二次儀表使用的各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(dcs, plc, ipc等)都具有溫度和壓力修正功能,已無需像以前老式儀表那樣搭接一個(gè)復(fù)雜的能滿足功能要求的儀表硬件系統(tǒng)。

(3)對于常溫、常壓下的氣體,也就是說,溫度為30~40℃,壓力為10 kpa左右的氣體,不作為計(jì)量用,僅作工藝操作參考時(shí),可以不考慮溫度和壓力修正,因?yàn)檫@種工況下(參見上面的例2),溫度和壓力的變化帶來流量示值的誤差不是很大。

(4)對于壓力為0. 01 mpa以上的氣體,不管流量測量的目的是什么,應(yīng)盡量考慮溫度和壓力修正(如果是常溫氣體,可單獨(dú)設(shè)壓力修正,不設(shè)溫度修正)。這是因?yàn)樵谶@種情況下,壓力的波動(dòng)給流量測量示值帶來的誤差較大(參見例3)。鋼鐵廠中設(shè)備密封或吹掃用的氮?dú)饬髁繙y量就屬于這種情況。由于氮?dú)鈦碓赐皇殖渥?一旦使用,氮?dú)夤艿缐毫ν蠓认陆怠１M管在這種工況下對流量測量的精度要求很低,但由于壓力波動(dòng)的影響太大,也應(yīng)該考慮壓力修正。