管道式氣體體積流量測量中溫度和壓力修正的必要性

管道式氣體流量測量中,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定值時對使用直接輸出流量計和差壓式流量

計進行流量測量所帶來的誤差,并通過工程實例示出溫度和壓力在8種變

化狀況下產生的測量誤差,以對溫度和壓力變化造成的誤差提供一些量的概

念。指出,如今實施溫度和壓力修正并不像以前單元組合儀表那樣麻煩,應適

當考慮修正。zui后給出幾點推薦性意見。

1 氣體體積流量的含義

氣體體積流量系指單位時間輸送管道中流過的氣體體積。氣體體積有工作狀

態下體積和標準狀態下體積之分,它們都是指在某個壓力和某個溫度情況下的

體積,后者是指壓力為一個標準大氣壓、溫度為0℃(或20℃)時的氣體體積。

標準狀態溫度多數指0℃,僅在某些場合,例如鼓風機的流量,因多指風機的入

口狀態,所以標準狀態溫度采用的是20℃。由于使用工作狀態流量參數時,需

說明相應的工作溫度和壓力,這樣比較麻煩,并且在人們的腦海中不容易建立

一個量的概念,因此,在工程中常使用標準狀態流量作為測量標準。

既然氣體的體積流量是指標準溫度和壓力下的流量,那么,當介質溫度和壓力

偏離設定狀態時,儀表測量的示值就會產生變化。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

所謂直接輸出的流量計是指流量信號不用開方處理的流量計,例如渦街流量計、

轉子流量計等。

根據氣體狀態方程可知

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。

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時

計算和實際運行時其壓力、溫度和流量值。由此可得壓力、溫度偏離設定值

p1s和t1s時造成的流量誤差為

2.2 差壓式流量計

采用節流裝置測量流量時,視被測氣體為不可壓縮氣體,其流量與節流裝置兩端

的差壓δp的關系為

式中,k為常數; r為隨壓力、溫度變化的氣體密度,并可用下式表達:

式中,rn為標準狀態(壓力為pn,溫度為tn)下被測氣體的密度。由式(5)和式(6)

得到節流裝置在設定壓力、溫度下和在某個工作壓力、溫度下的體積流量表達

式為:

上述式中,p2s,t2s,q2s,p2w,t2w,q2w分別為選擇差壓式流量計時計算和實際

運行時其壓力、溫度和流量值。

由式(7)和式(8)得到壓力、溫度偏離設定值時造成的誤差為:

3 典型實例

下面給出幾個溫度和壓力修正的實例,通過一些具體數據,說明實際使用中正

確實施溫度和壓力修正的必要性。

例1,設定壓力p1s=0. 35mpa(壓力),壓力變化范圍為0. 33~0. 37mpa。

設定溫度t1s=313k,溫度變化范圍為293~333k。被測介質為天然氣,采用渦街

流量計測量。

將8個極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設定值代入式(4),得到其相應的

誤差δ1。表1列出了相應各參數的情況。

由表1可見,當溫度增大、壓力減小或溫度降低、壓力增大時,也就是第2、

第3種情況時產生的誤差zui大。

例2,設定壓力p2s=0. 109mpa(壓力),壓力變化范圍為0. 108~0. 110mpa。

設定溫度ts=313k,溫度變化范圍為293~333k。被測介質為高爐煤氣,采用差壓

式流量計測量。

將8種極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設定值代入式(9),便可以得到其

相應的誤差δ2。表2列出了相應各參數的情況。

由表2可見,溫度不變,壓力變化時,總體上造成的誤差不大。

例3,設定壓力p2s=0. 7mpa(壓力),壓力變化范圍0.3~0. 8mpa。設定溫

度t2s=313k,溫度變化范圍為293~333 k。被測介質為氮氣,采用差壓式流量

計測量。

同樣將8種極限壓力、溫度值,以及壓力、溫度的設定值代入式(9),得到其相

應的誤差δ2。表3列出了相應各參數的情況。

由表3可見,第3~5種情況造成的誤差zui大,這是因為這3種情況下的壓力波動太

大。

4 推薦意見

(1)由上面的典型例子可見,被測介質在實際運行中,由于壓力、溫度偏離設定

值,所以會給流量的示值帶來不同程度的誤差。因此,作為計量用的能源介質

流量測量,都應考慮溫度和壓力修正。

(2)對于不作為計量用的氣體流量測量,如果已獲得溫度、壓力信號,也應該考

慮溫度和壓力修正。因為當今的二次儀表或作為二次儀表使用的各種計算機

系統(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

那樣搭接一個復雜的能滿足功能要求的儀表硬件系統。

(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,不作為計量用,僅作工藝操作參考時,可以不考慮溫度和壓力修正,因

為這種工況下(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,應盡量考

慮溫度和壓力修正(如果是常溫氣體,可單獨設壓力修正,不設溫度修正)。這

是因為在這種情況下,壓力的波動給流量測量示值帶來的誤差較大(參見例3)。

鋼鐵廠中設備密封或吹掃用的氮氣流量測量就屬于這種情況。由于氮氣來源

往往不十分充足,一旦使用,氮氣管道壓力往往大幅度下降。盡管在這種工況

下對流量測量的精度要求很低,但由于壓力波動的影響太大,也應該考慮壓力

修正。