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重点诠释为什么腰轮流量计需要压力和温度补偿?

编辑:发表时间:2020-01-04


      当大家从腰轮流量计或文丘里管的压力下降得出公式来预测流量时,大家不得不做出许多假设,其中主要的原因是运动流体中完全没有摩擦(即没有因摩擦而耗散的能量),并且完美的流线流动(即完全没有湍流)。可以说,到目前为止, 大家已经讨论过的流程公式(先前的主题)仅是对现实的近似。

      为什么腰轮流量计需要压力和温度补偿?在这方面,腰轮流量计是最严重的违规者,因为流体会遇到穿过孔的几何形状突然变化。文丘里管几乎是理想的,因为管子的机加工轮廓确保了流体压力的逐渐变化并使湍流最小化。但是,在现实世界中,大家必须经常使用不完善的技术来尽力而为。腰轮流量计尽管不能完美地用作流量传感元件,但安装在法兰管中却既方便又经济。腰轮流量计也是流量元件最容易更换的类型,以防损坏或进行日常维护。

在诸如贸易交接(也称为“财政”计量)的应用中,流体的流量代表正在购买和出售的产品,流量测量的准确性至关重要。因此,重要的是弄清楚如何从通用腰轮流量计中获得最高的准确度,以便大家可以准确,经济地测量流体流量。

      如果大家将通过产生压力的主传感元件的真实流量与理想方程式预测的理论流量进行比较,则可能会发现明显的差异。这种差异的原因包括但不限于:

      —湍流和粘性导致的能量损失

      —由于在管道和元件表面上的摩擦而导致的能量损失

      —流量变化导致腔静脉收缩位置不稳定

      —管道不规则引起的速度分布不均

      —流体可压缩性

      —元件和管道的热膨胀(或收缩)

      —非理想压力龙头位置

      —由粗糙的内部管道表面引起的过度湍流

      对于任何测量到的压差量,真实流量与理论流量之间的比率称为流量传感元件的排放系数,由变量C表示。

      由于值1表示理论上的理想值,因此任何实际产生压力的流量元件的C实际值将小于1:

      对于气体和蒸汽流,由于与气体和蒸汽的可压缩性有关的原因,实际流速比理论(理想)流量值偏离液体的程度更大。通过将任何流量元件的气体排放系数与液体流量系数进行比较,可以计算出任何流量元件的气体膨胀系数(Y)。与排放系数一样,任何实际压力生成元素的Y值都将小于1:

      将这些因素结合到另一篇文章中讨论过的理想体积流量方程中,大家得出以下公式:

      如果愿意,大家甚至可以添加另一个因数来说明任何必要的单位转换(N),从而消除过程中的常数√2:

      可悲的是,在任何给定流量元件的整个测量范围内,排放系数(C)和气体膨胀系数(Y)都不会保持恒定。这些变量会随着流量的变化而变化,这进一步使从压差测量中准确推断流量的任务变得更加复杂。但是,如果大家知道典型流量条件下的C和Y值,则大多数时候大家可能会获得良好的精度。同样,C和Y随流量变化的事实也限制了使用前面看到的“比例常数”公式可获得的精度。

      无论大家是测量体积流量还是质量流量,在一种特定流量条件下计算出的k因子对于所有流量条件都不会保持恒定:

      这意味着在大家根据特定的流动条件计算出k的值之后,大家只能相信流动条件方程的结果与大家用来计算k的方程相差不大。

      在两个流量方程中都可以看到,流体的密度(ρ)是一个重要因素。如果流体密度相对稳定,大家可以将ρ视为常数,将其值合并到比例因子(k)中,以使两个公式更加简单:

      但是,如果流体密度随时间变化,大家将需要一些方法来连续计算ρ,因此推断流量测量将保持准确。可变流体密度是气体流量测量中的一种典型情况,因为根据定义,所有气体都是可压缩的。只需简单地改变管道内的静态气体压力即可使ρ发生变化,这又会影响流量与压差下降之间的关系。气体协会在其报告中提供了使用腰轮流量计计算任何气体的体积流量的公式,以补偿气体压力和温度的变化。

      此处显示了该公式的变体(与本节中的先前公式一致):

      其中,

      Q =体积流量(SCFM =标准立方英尺/分钟)

      N =单位转换系数

      C =排放系数(考虑能量损失,雷诺数校正,压力抽头位置等)

      Y =气体膨胀系数

      A1 =交叉嘴的截面积

      A2 =喉部的截面积

      Zs =标准条件

      下气体的可压缩系数Zf1 =流动条件下气体的可压缩系数

      Gf =气体的比重(相对于环境空气的密度)

      T =绝对温度气体

      P1 =上游压力(绝对值)

      P2 =下游压力(绝对值)

      该方程式意味着除了腰轮流量计产生的压差(P1-P2)之外,还连续测量管道内的绝对气体压力(P1)和绝对气体温度(T )。这些测量可以通过三个独立的设备进行,它们的信号被路由到气流计算机:

腰轮流量计补偿

      注意RTD热电偶套管的位置,它位于腰轮流量计的下游,因此它产生的湍流不会在腰轮流量计上产生额外的湍流。气体协会允许将热电偶套管向上游放置,但前提是必须位于流量调节器上游至少三英尺处。为了最好地控制获得良好孔口计量精度所需的所有物理参数,贸易交接流量计装置的标准做法是使用珩磨的流量计,而不是标准的管道和管件。

      “珩磨管路”是一个完整的管道组件,包括用于固定腰轮流量计的制造配件以及在上游和下游有足够长的直管段,该管的内表面经过机加工(“珩磨”)以具有光滑的玻璃表面。精确而对称的尺寸。珩磨运行可确保对流动的气体或液体的干扰降到最低,从而避免不必要的湍流或扭曲的流量曲线,从而提高了测量精度。这样的管道“管路”非常昂贵,但是对于实现值得贸易交接的流量测量精度是必需的。

腰轮流量计

      这张照片显示了一组符合气体协会标准的腰轮流量计,用于测量天然气流量:

      请注意特殊的变送器歧管,可同时容纳差压和绝对压力变送器。还要注意固定腰轮流量计的快速更换配件(带肋的金属外壳),以方便方便地更换腰轮流量计,这是由于磨损而经常需要的。在某些行业,每天更换腰轮流量计以确保精确测量所必需的尖锐的孔口边缘并非是闻所未闻的。尽管在这张照片中看不到,但这些仪表管路是通过截止阀网络连接在一起的,这些阀将天然气流引导通过所需的尽可能少的仪表管路。当总气体流量很大时,所有流量计都将投入使用,并且将它们各自的流量加总以得出总流量测量值。当总流量降低时,将关闭各个仪表管路,从而导致通过其余仪表管路的流速增加。

      这种“分阶段”的流量计运行扩展了腰轮流量计作为流量传感元件的有效量程比或量程比,与使用单个(大)腰轮流量计运行相比,可在更宽的流量范围内实现更精确的流量测量。

整体腰轮流量计

      这张照片显示了用于测量纯氧气(气体)线上的质量流量,腰轮流量计是变送器主体正下方的“整体”单元,夹在铜线上的两个法兰板之间。一个三阀歧管将变送器与整体腰轮流量计结构连接起来:

      温度补偿RTD可以清晰地在照片的左侧看到,安装在铜管的弯头处。液体流量测量应用也可能会受益于补偿,因为液体密度会随温度变化。此处静压不是问题,因为出于所有实际目的,液体被认为是不可压缩的。因此,用于补偿液体流量测量的公式不包括任何静压项,仅包括压差和温度:

上式中的常数kT是随着温度升高液体膨胀的比例因子。

      测得条件(T)与参考条件(Tref)之间的温度差乘以该系数,就可以确定与参考温度下的密度相比,液体的密度要低多少。应当指出,某些液体(尤其是碳氢化合物)的热膨胀系数明显大于水。如果测量原理是基于体积而不是基于质量,则这对于烃类液体流量测量的温度补偿非常重要。


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