引言

         金屬管浮子流量計(jì)（以下簡稱流量計(jì)）又稱變面積式流量計(jì)或恒壓降式流量計(jì)，是以流體動(dòng)時(shí)的節(jié)流原理為基礎(chǔ)的一種流量測(cè)量儀表。具有可測(cè)量多種介質(zhì)流量，特別適用于測(cè)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(jià)格便宜，使用維護(hù)方便；通過選用不同測(cè)量管及零部件材質(zhì)，還可以測(cè)量具有腐蝕性的介質(zhì)流量等特點(diǎn)。基于上述特點(diǎn)，流量計(jì)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(cè)量系統(tǒng)。

 

         金屬管浮子流量計(jì)根據(jù)用戶提供的設(shè)計(jì)工況參數(shù)（如操作溫度、操作壓力、操作密度等）進(jìn)行用水或氣體流量換算、校準(zhǔn)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)與設(shè)計(jì)工況參數(shù)相同或偏離極小時(shí)方可進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)介質(zhì)工況參數(shù)往往偏離設(shè)計(jì)參數(shù)較大，造成儀表測(cè)量準(zhǔn)確度嚴(yán)重下降，尤其對(duì)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(cè)量準(zhǔn)確度下降尤其嚴(yán)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(jì)，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，保證現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)不會(huì)造成儀表測(cè)量準(zhǔn)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(jì)的溫壓補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用溫壓補(bǔ)償算法，對(duì)儀表采集到的流量信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償綜合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，很大程度上解決了上述問題。

 

１　工作原理

         流量計(jì)工作原理如圖１所示：流量計(jì)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(dāng)浮子此差壓（Ｐ２－Ｐ１）與浮子重力Ｇ、浮力Ｆ、粘滯力合力平衡時(shí)，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(duì)應(yīng)關(guān)系。浮子流量計(jì)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(shí)，二次方項(xiàng)值極小，可忽略不計(jì)，

         ΔＦ可認(rèn)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(biāo)況體積流量，Ｎｍ３／ｓ；

         ρ０—介質(zhì)標(biāo)況密度，ｋｇ／ｍ３。

 

２　溫壓補(bǔ)償算法

         流量計(jì)在測(cè)量氣體介質(zhì)時(shí)，當(dāng)氣體溫度、壓力不穩(wěn)定，造成被測(cè)氣體工況密度變化較大時(shí)，流量指示誤差增大，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償計(jì)算，恢復(fù)儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。具體推導(dǎo)、計(jì)算如下：

２．１　工況體積流量：

                 

式中：

         ｑ ｖ 設(shè) —設(shè)計(jì)工況體積流量， ｍ３ ／ｓ ； 

         ｑ ｖ 實(shí) —實(shí)際工況體積流量， ｍ３ ／ｓ ；

         ρ 設(shè) —被測(cè)氣體設(shè)計(jì)壓力、溫度下工況密度，ｋｇ／ ｍ３ ；

         ρ 實(shí) —被測(cè)氣體實(shí)際壓力、溫度下工況密度，ｋｇ／ ｍ３ 。

         ρ ｆ ? ρ 設(shè) ； ρ ｆ ? ρ 實(shí) ；浮子位置不變，其他常數(shù)項(xiàng)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(biāo)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(jì)與實(shí)際測(cè)量為同一氣體介質(zhì)，則 ρ０ 設(shè) ＝ ρ ０ 實(shí) ，得出

         (8）

３　 溫壓補(bǔ)償技術(shù)

         由溫壓補(bǔ)償算法推導(dǎo)可知，當(dāng)實(shí)際被測(cè)氣體介質(zhì)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（即壓力 Ｐ 、溫度 Ｔ偏離設(shè)計(jì)）通過采集氣體介質(zhì)的壓力、溫度信號(hào)，通過公式（５ ）、（ ６ ）、（ ７ ）、（ ８ ）計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)溫度壓力在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算，得到準(zhǔn)確的流量信號(hào)，此即為金屬管浮子流量計(jì)溫壓補(bǔ)償技術(shù)。

 

４　 溫壓補(bǔ)償型金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)及應(yīng)用

 

４．１　 分體式結(jié)構(gòu)

         流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器單獨(dú)安裝，流量信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)分別輸入 ＤＣＳ 或控制計(jì)算器進(jìn)行流量的溫度、壓力補(bǔ)償計(jì)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(chǎng)流量計(jì)的升級(jí)改造，如圖 ２所示。

４．２　 一體式結(jié)構(gòu)

         流量計(jì)、溫度傳感器器、壓力傳感器集成一體化設(shè)計(jì)，流量信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)輸入到溫壓補(bǔ)償功能設(shè)計(jì)的流量計(jì)轉(zhuǎn)換器中，進(jìn)行流量的溫度、壓力補(bǔ)償計(jì)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(cè)量準(zhǔn)確度高，體積小，安裝方便，如圖 ３ 所示：

         金屬管浮子流量計(jì)由傳感器（包括法蘭、測(cè)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(bǔ)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(jì)溫壓補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了溫度壓力在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算，提高了流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，降低用戶的開車、維護(hù)成本。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(bǔ)償型流量計(jì)必然成為金屬管浮子流量計(jì)溫壓補(bǔ)償技術(shù)分發(fā)展的趨勢(shì)。在越來越重視節(jié)約能源，精確測(cè)量控制的社會(huì)大環(huán)境下，溫壓補(bǔ)償技術(shù)也必將得到廣泛的應(yīng)用。