气体流量测量

1、气 体 流 量 测 量,纪 纲,上海宝科自动化仪表研究所,用双量程差压流量计测量气体流量,1-01,1.1 节 流 式 差 压 计 的 一 般 公 式,式中 qm 质量流量，kg / s； C 流出系数； 直径比，= d / D； D 管道内径，m； 1 节流件正端取压口平面上的可膨胀性系数； d 工作条件下节流件的开孔直径，m； p 差压，Pa； 1 节流件正端取压口平面上的流体密度，kg / m3。,（1）,1-02,差 压 流 量 计 的 密 度 补 偿,式中 k 密度补偿系数； f 工况条件下正端取压口平面上流体密 度，kg/m3，由计算得到； d 设计条件下正端取压口平面上流体密 度

2、，kg/m3（由查孔板计算书得到）。,（1）补偿公式,（2）,1-03,气 体 密 度 的 计 算（一）,式中 f、n 使用状态和标准状态流体密 度，kg/m3； Pf、Pn 使用状态和标准状态流体绝 对压力，Pa； Tf、Tn 使用状态和标准状态流体绝 对温度，k； Zf、Zn 使用状态和标准状态流体压 缩系数。,（3）,1-04,气 体 密 度 的 计 算（二）,式中 d、n 设计状态和标准状态流体密 度，kg/m3； Pd、Pn 设计状态和标准状态流体绝 对压力，Pa； Tf、Tn 设计状态和标准状态流体绝 对温度，k； Zf、Zn 设计状态和标准状态流体压 缩系数。,（4）,1-05,

3、差 压 流 量 计 的 密 度 补 偿 公 式,式中 Pd、Td、Zd 来自孔板计算书。 Pf、Tf 由实测（或手动设置）得到。 Zf 由计算（或手动设置）得到。,（5）,将式（3）和（4）代入式（2）得,1-06,组份稳定气体的压缩系数计算,式中 ：对比温度 对比压力 Pf、Tf 气体的工作绝对压力和工作 绝对温度； Pc、Tc 气体的临界绝对压力和临界 绝对温度；,（6）,压缩系数Z计算公式采用普遍化R-K方程式：,（7）,1-07,温 度 压 力 补 偿 的 实 现,温度压力补偿的实质是补偿温度压力变化后， 流体密度相应变化对测量结果的影响（补偿 系数在中间计算结果画面中显示），k中也包

4、 含Z的贡献。,PT,流量 演算器,FT,TE,qm,1-08,流 出 系 数 非 线 性 的 在 线 补 偿,孔板、喷嘴、文丘里管的流出系数C，都受雷 诺数ReD的影响。 ISA 1932 喷嘴流出系数C的表达式,式中：C 流出系数; 直径比，= dD； d 喉部内径，m； D 管道内径，m； ReD 与D有关的雷诺数。,1-09,标准孔板流出系数C的表达式（一）,流出系数C的R/G公式：,当D71.12mm时，应加以下一项：,1-10, 工况下孔径与管径之比， =d/D；,符号定义：式中D的单位：mm；,ReD 管道雷诺数；, 孔板上游端面到上游取压口的距离, 孔板下游端面到下游取压口的距

5、离, 孔板上游端面到下游取压口的距离,对于D-D/2取压法： L1=1， L2=0.47,对于角接取压法：L1=L2=0,对于法兰取压法： L1= L2=25.4/D，D的单位：mm,R/G公式是根据16522个数据点回归出来的。,标准孔板流出系数C的表达式（二）,孔板C = f （ReD) 关 系 的 形 象 化 描 述,图1.1 C = f（ReD）关系曲线,1-11,流 出 系 数 在 低 雷 诺 数 时 变 化 较 大,对C进行实时计算或用折线进行补偿，能使低流量 段精度得到提高。,q在0-100% 范围内变化时， ReD变化幅值很大， 所以 C有明显变化 例 （见图）： ReD= 时

6、，C =0.6043 ReD = 时，C =0.6080 这就意味着百分率流量越小，示值偏低越严重。,1-12,1-13,标准差压装置输出的差压等于正端取压口压力P1与负端取压口压力P2之差。由于差压从管壁取出，所以受流场影响。,ReD大时，管壁取压得到的流速与管道 内平均流速很接近。 ReD小时，管中心流速比管壁附近流 速高很多，所以管壁测得的流速 比管道内平均流速低得多。 C = f（ReD)公式就是对这一现象做 数学描述。 均速流量计采用多点取压，C不受,图1.2 层流和湍流的速度分布,ReD影响。,C 为什么受（ ReD ） 影响,C 非 线 性 校 正 的 影 响 幅 值,C 及 k

7、数 据 表,1-14,可 膨 胀 性 系 数 非 线1 性 的 在 线 校 正,1-15,可膨胀性系数1的定义 差压式流量计（孔板、喷嘴、文丘里管等）在用来测气体和蒸汽流量时，流体流过节流装置，在节流件两边都要产生一定的压差，节流件的下游静压降低，因而出现流束膨胀，流束的这种膨胀使得节流装置的输出（差压）-输入（流量）关系同不可压缩流体之间存在一定的偏差，如果不对这种偏差进行校正将会导致流量示值偏高千分之几到百分之几，在和pp1均较大的情况下甚至可达10%。可膨胀性系数(expansibility factor)就是为修正此偏差而引入的变量。,对于三种取压方式的孔板，计算介质可膨胀性系 数的经

8、验公式如下：,各种气体，空气，蒸汽，天然气等。,此公式的适用范围：（p2 / p1）0.75，适用于,1-16,标 准 孔 板 可 膨 胀 性 系 数 C 的 表 达 式,式中： 直径比； 等熵指数； P2 差压装置负端取压口压力，Pa； P1 差压装置正端取压口压力，Pa。,1 变 化 对 流 量 示 值 的 影 响,q在0-100%内变化，相应p也在0-100%范围内 变化，不同的q对应不同的1。q变化范围越大， 对应的1值差异越大，若仍将其当常数看待， 引入的不确定度相应增大。,百分率流量越小，p越小，1越大，流量示值 偏低越严重。,对1进行在线计算，从而实现1的校正，提高 全量程的精度

9、。,1-17,ISA 1932 喷 嘴 的 1 表 达 式,式中 可膨胀性系数； 直径比； 等熵指数； 压力比，p2p1 p2 喷嘴负端取压口压力，Pa； p1 喷嘴正端取压口压力，Pa。,1-18,由F1供F3（F2关闭），两套表基本相符。 由F2供F3（F1关闭），两套表基本相符。 由F1和F2共同供F3，供方比需方（FIQ3）低1.53%。,1-19,C和1非线性引起误差的例子（一）,浙江宁波某热电厂有相同规格的三套孔板流量计，,1-20,C和1非线性引起误差的例子（二）,分析：F1或F2单供时，前后两套表具有相同的C和1。 由F1和F2共同供F3时，需方表计的C和1与计 算书吻合，但F

10、1和F2由于只有常用流量的一半左 右，所以ReD小C大，P小1大。 将实际数据代入计算，C的原因引起供方表偏低约0.1%； 1的原因引起供方表偏低约1.5%。 由于差压变送器高低压室内 排气不彻底，也引入一定的 不确定性。,标准差压式流量计如何保证准确度,偏离常用工况后，的变化进行密度补偿 偏离常用流量后，C的变化用C=f（，ReD）补偿，的变化用=f（， ,）校正。 流量小于20%FS后，引入低量程差压变送器提高差压测量精度。,1-21,在流量标准装置上的验证： 不进行C补偿和1的补偿，量程比能达到 3:1 进行C补偿和1的补偿，量程比能达到 10:1 进行C补偿和1的补偿，并引入低量程差压

11、 变送器，能达到 30:1。,不同的处理方法得到不同的量程比,1-22,双 量 程 差 压 流 量 计 的 核 心,1-23,约束差压式流量计范围度的主要因素为什么是差压变送器 在测量低端的精度？,因差压变送器精度是用引用误差表示的，差压相对值越小，其不确定度 越大。,qm(%),P(%),100,100,0,0,1.3 双 量 程 差 压 流 量 计 的 历 史,双量程流量计已有三十多年的历史。 早期的方法是一台节流装置配大小量程两台 差压计，并用阀门切换。 八十年代用一台可变测量范围差压变送器提 高低量程差压精度。 现在的双量程差压流量计： 高低量程差压变送器精度等级大大提高。 由智能化流

12、量二次表实现高低量程自动切换。 对差压装置的C和进行在线补偿。 系统精度大大提高。,1-24,完全独立的两台差压流量计的缺点（一）,（1）一台小表与一台大表并联使用 投资大，量程切换不方便，而且担心切断阀关不死。,1-25,完全独立的两台差压流量计的缺点（二）,（2）一台小表与一台大表串联使用 投资大，永久性压损成倍增大。,1-26,新 型 双 量 程 差 压 流 量 计 的 结 构,1-27,高低量程的切换在流量二次表中完成。 当开平方运算在流量二次表内完成时， （ 100%） （ 100%） 当开平方运算在差压变送器内完成时， （ 100%） （ 100%） 式中： 未经补偿的流量，单位由

13、FS定； 低量程变送器输出信号，0100%； 高量程变送器输出信号，0100%； 低量程满度流量，kg/h、t/h或Nm3/h等； 高量程满度流量，kg/h、t/h或Nm3/h等。,高 低 量 程 的 切 换,1-28,技 术 指 标,1-29,系统不确定度： 蒸汽和（组份稳定的）气体：1.5%读数值 液体：1.0%读数值 （3100）%FS区间 蒸汽和（组份稳定的）气体：1.5%FSL 液体：1.0%FSL （13）%FS区间 式中FSL为低量程流量测量上限 介质：各种高、中、低压，温度560的 各种介质。,双 量 程 节 流 式 流 量 计 外 形 图,1-30,双量程节流式流量计运行曲线

14、例,1-31,单边引压的双量程节流式流量计,1-32,单向引压垂直布置,水平布置的双量程节流式流量计,1-33,双向引压水平布置,系 统 不 确 定 度 与 流 量 的 关 系,1-34,变 送 器 输 出 与 流 量 的 关 系,开平方运算在差压变送器中完成。,1-35,1.4 全量程范围内的不确定度分析,低量程：117.32%FS 高量程: (17.32100)%FS 高量程段不确定度最差的点在17.32%处； 低量程段3%FS点与高量程段17.32%点具有 相同特点。 低量程段1%FS点不确定度最差。 小信号切除点：1%FS。 分析3%FS的不确定度和1%FS的不确定度便 知全量程不确定

15、度。,1-36,1.5 3%FS特征点不确定度估算（实例）,1.已知条件 介质名称：氧气 等熵指数= 1.461 流量测量上限 qmmax= 33288 kg/h 常用流量 qm= 23302 kg/h 管道内径 D20 = 207 mm 孔板开孔直径 d20 = 90.712 mm 直径比 = 0.4382224 差压上限 pmax = 60 kPa 差压变送器准确度等级：P = 0.065%,1-37,3%FS特征点不确定度估算（实例）, 压力变送器测量上限pmax = 4MPa G 压力变送器准确度等级p = 0.065% 常用压力p1 = 3.5 MPa G 当地平均大气压Pa = 8

16、9.04 kPa 温度传感器准确度等级：B级 常用温度：t1=37 高低量程分段 低量程：01.8kPa 对应05765.7 kg/h （变送器为3051CD） 高量程：060kPa 对应033288 kg/h,1-38,不确定度计算所依据的标准和公式, 所依据的标准 ISO5167:2003(E)和GB/T 2624-2006及 GB/T 21446-2008 所依据的公式7 8 （1） 式中： 流量测量不确定度； 流出系数不确定度；,1-39,不确定度计算所依据的标准和公式, 可膨胀性系数不确定度； 管道内径不确定度； 孔板开孔直径不确定度； 差压测量不确定度； 孔板正端取压口处气体压缩系

17、数不确定度； 孔板正端取压口处气体热力学温度测量不 确定度； 孔板正端取压口处气体压力测量不确定度。,1-40,（1）流出系数不确定度 的计算,按照GB/T 2624，本例中在 0.20.6区间，所以,1-41,各 因 子 数 值 的 计 算,按照GB/T 2624，本例中在 0.20.6区间，所以,=0.5 （2）,1-42,按照GB/T 2624，用下式计算：,（2）可膨胀性系数不确定度 的计算,1-43,（2）可膨胀性系数不确定度 的计算,本例中，20条件下的D应为207mm，因 管道内壁经精密加工，内径误差控制在 0.02mm范围内，即,1-44,管道内径不确定度 的确定,0.01%,

18、对 的贡献太小，予以忽略。,（8）,孔板开孔直径不确定度 的确定,1-45,本例中，20条件下的d应为90.662mm，因孔板开孔直径经精密加工，d20误差控制在0.01mm范围内，即,0.012%,对的贡献太小，予以忽略。,1-46,差 压 测 量 不 确 定 度 的 计 算,1-47,差 压 测 量 不 确 定 度 的 计 算,1-48,压 缩 系 数 不 确 定 度 的 计 算,本例中因被测流体为永久性气体， 在常用温度和常用压力条件下的压 缩系数Z1与标准状态条件下压缩Zn 近似相等，不确定度忽略，即,(11),1-49,温 度 测 量 不 确 定 度 的 计 算,1-50,温 度 测

19、 量 不 确 定 度 的 计 算,压 力 测 量 不 确 定 度 的 计 算,1-51,压 力 测 量 不 确 定 度 的 计 算,1-52,计 算 的 值,将式（2）（7）（10）（14）和（16） 的值代入式（1）得：,1-53,(17),= 0.88 %,二次表显示值的不确定度 计算,式（17）为二次表之外的系统不确定度。 因为二次表在温度压力信号输入通道分别输入常用温度和常用压力标准信号，差压信号输入通道输入常用流量对应的差压标准信号时，二次表的流量显示值相对误差不会大于0.2%，所以整个系统的不确定度为：,1-54,= 0.9%,1.6 通 HART 传 送 信 号 时 为 0 级,

20、1-55,用 HART 通 讯 方 法 传 送 信 号 的 优 点,1-56,省去D/A转换和A/D转换两个环节，传 送精度约可提高0.1%FS，这对量程低 段来说尤为重要。 现场的几个变送器可以挂在同一根总线 上，从而可节省电缆投资。在易燃易爆 场所还可节省很多安全栅。,量 程 之 间 的 平 滑 切 换,1-57,HART通信二次表的原始数据画面,1-58,安全阀型式试验三量程流量计,1-59,1%FS特征点处的不确定度估算,1-60,从参考文献7知，当流量为1%FS时，雷诺 数仍有27000以上，因此，流出系数不确定 度仍为0.5%，按上述第3节方法估算系统不 确定度为,用低量程上限引用

21、误差表示则,式中： 低量程上限。,1.7 在流量标准装置上的验证,DN80 双量程孔板流量计 2台 DN200 双量程孔板流量计 4台 在流量标准装置上验证其不确定度和量程比,1-61,校 准 证 书 1,1-62,校 准 证 书 2,1-63,校 准 证 书 3,1-64,校 准 证 书 4,1-65,校 准 证 书 5,1-66,校 准 证 书 6,1-67,检 定 原 始 记 录 1,1-68,检 定 原 始 记 录 2,1-69,检 定 原 始 记 录 3,1-70,检 定 原 始 记 录 4,1-71,检 定 原 始 记 录 5,1-72,检 定 原 始 记 录 6,1-73,检 定

22、 原 始 记 录 7,1-74,1.8 福州侨源气体公司应用情况,1-75,上 下 游 流 量 计 示 值 差 量,1-76,氩 气 流 量 趋 势 图,1-77,高 桥 石 化 的 应 用 实 例,1-78,1. 用途：地面火炬蒸汽流量测量(DN450) 2. 仪表结构：两面引压，导轨式演算器 3. 满刻度流量：50 t/h 4. 记录到的最小流量：500 kg/h,苏州中新远大能源公司的应用实例,1-79,1. 用途：从东吴热电公司购入蒸汽总表（DN350) 2. 仪表结构：单边引压 3. 满刻度流量：40 t/h 4. 瞬时流量变化范围：280 kg/h 1 t/h,苏州中新远大溴化锂用

23、蒸汽流量,1-80,1. 公称通径：DN350 2. 测量范围：040 t/h 3. 存在问题：两道阀门关闭后仍有500kg/h流量显示 4. 检查：凝结水疏水处有流水声（流量计零点检查是好的）。 5. 结论：两道蝶阀有泄漏。,4 对孔板上下游所要求的最小直管段长度提出全新及更长的要求,表中A栏的长度是指“零附加不确定度”的。 B栏的长度是指“0.5%附加不确定度”的。,1-81,4 对孔板上下游所要求的最小直管段长度提出全新及更长的要求,单 个 90 度 弯 头 对 孔 板 流 出 系 数 的 影 响,单个90度弯头对孔板流出系数的影响,单个90度弯头（无流动调整器）对=0.5的孔板流量计的

24、影响,1-82,孔板上游管道相对粗糙度的上限值104Ra/D,Ra为偏离被测轮廓平均线的算术平均偏差。,1-83,式中：K为等效绝对粗糙度，以长度单位表示。,D 150 mm 时 的 粗 糙 度 要 求,1-84,当管径D大于或等于150mm时，在以下不同 情况下，,应满足以下的粗糙度Ra的要求：,当0.6并且ReD5107时， 1mRa6m；,当0.6并且ReD1.5107时， 1.5mRa6m。,管道内壁粗糙度对孔板流出系数的影响,1-85,结 束 语 （一）,1-86, 新型双量程差压式流量计，由于引入了一台低量程 差压变送器和具有双量程演算功能的二次表，使一台 差压式流量计变成高低量程

25、两台差压式流量计，从而 大大提高了量程低段的流量测量精确度。 单一量程差压流量计，在引入流出系数C非线性补偿 和可膨胀性系数非线性补偿，并配以高精确度差压 变送器后，量程比可达10:1。而典型的双量程差压流 量计在采用这些技术的基础上，由于量程低段差压测 量精确度提高了33倍，因而使量程低段的系统精确度 大幅度提高，从而使量程比提高了一个数量级。, ISA 1932喷嘴的不确定度可达0.8%7，比标 准孔板略差。但从上面的估算中可发现，确 定不确定度指标中还留有余地，因此，用ISA 1932喷嘴组成的双量程差压流量计，也能达到 100:1的量程比。 应用此项技术组成的双量程差压流量计，再 采用一体化结构，清除了差压信号传递失真， 从而使系统精确度有了保证。经在流量标准装 置上验证，上面的估算结果式正确的。,结 束 语 （二）,1-87,1. 纪纲, 张延华, 郭绮就. 双量程差压式流量测量 系统G/机械工业部工业自动化仪表科技情报 网流量专业网，中国仪器仪表学会过程检测仪 表学会流量专业委员会. 流量测量和能源管理 经验汇编. 重庆 , 1982：6-86-17. 2. 王建