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                  重點詮釋為什么腰輪流量計需要壓力和溫度補償?

                  作者:發表時間:2020-01-04


                        當我們從腰輪流量計或文丘里管的壓力下降得出公式來預測流量時,我們不得不做出許多假設,其中主要的原因是運動流體中完全沒有摩擦(即沒有因摩擦而耗散的能量),并且完美的流線流動(即完全沒有湍流)??梢哉f,到目前為止, 我們已經討論過的流程公式(先前的主題)僅是對現實的近似。

                        為什么腰輪流量計需要壓力和溫度補償?在這方面,腰輪流量計是最嚴重的違規者,因為流體會遇到穿過孔的幾何形狀突然變化。文丘里管幾乎是理想的,因為管子的機加工輪廓確保了流體壓力的逐漸變化并使湍流最小化。但是,在現實世界中,我們必須經常使用不完善的技術來盡力而為。腰輪流量計盡管不能完美地用作流量傳感元件,但安裝在法蘭管中卻既方便又經濟。腰輪流量計也是流量元件最容易更換的類型,以防損壞或進行日常維護。

                  在諸如貿易交接(也稱為“財政”計量)的應用中,流體的流量代表正在購買和出售的產品,流量測量的準確性至關重要。因此,重要的是弄清楚如何從通用腰輪流量計中獲得最高的準確度,以便我們可以準確,經濟地測量流體流量。

                        如果我們將通過產生壓力的主傳感元件的真實流量與理想方程式預測的理論流量進行比較,則可能會發現明顯的差異。這種差異的原因包括但不限于:

                        —湍流和粘性導致的能量損失

                        —由于在管道和元件表面上的摩擦而導致的能量損失

                        —流量變化導致腔靜脈收縮位置不穩定

                        —管道不規則引起的速度分布不均

                        —流體可壓縮性

                        —元件和管道的熱膨脹(或收縮)

                        —非理想壓力龍頭位置

                        —由粗糙的內部管道表面引起的過度湍流

                        對于任何測量到的壓差量,真實流量與理論流量之間的比率稱為流量傳感元件的排放系數,由變量C表示。

                        由于值1表示理論上的理想值,因此任何實際產生壓力的流量元件的C實際值將小于1:

                        對于氣體和蒸汽流,由于與氣體和蒸汽的可壓縮性有關的原因,實際流速比理論(理想)流量值偏離液體的程度更大。通過將任何流量元件的氣體排放系數與液體流量系數進行比較,可以計算出任何流量元件的氣體膨脹系數(Y)。與排放系數一樣,任何實際壓力生成元素的Y值都將小于1:

                        將這些因素結合到另一篇文章中討論過的理想體積流量方程中,我們得出以下公式:

                        如果愿意,我們甚至可以添加另一個因數來說明任何必要的單位轉換(N),從而消除過程中的常數√2:

                        可悲的是,在任何給定流量元件的整個測量范圍內,排放系數(C)和氣體膨脹系數(Y)都不會保持恒定。這些變量會隨著流量的變化而變化,這進一步使從壓差測量中準確推斷流量的任務變得更加復雜。但是,如果我們知道典型流量條件下的C和Y值,則大多數時候我們可能會獲得良好的精度。同樣,C和Y隨流量變化的事實也限制了使用前面看到的“比例常數”公式可獲得的精度。

                        無論我們是測量體積流量還是質量流量,在一種特定流量條件下計算出的k因子對于所有流量條件都不會保持恒定:

                        這意味著在我們根據特定的流動條件計算出k的值之后,我們只能相信流動條件方程的結果與我們用來計算k的方程相差不大。

                        在兩個流量方程中都可以看到,流體的密度(ρ)是一個重要因素。如果流體密度相對穩定,我們可以將ρ視為常數,將其值合并到比例因子(k)中,以使兩個公式更加簡單:

                        但是,如果流體密度隨時間變化,我們將需要一些方法來連續計算ρ,因此推斷流量測量將保持準確??勺兞黧w密度是氣體流量測量中的一種典型情況,因為根據定義,所有氣體都是可壓縮的。只需簡單地改變管道內的靜態氣體壓力即可使ρ發生變化,這又會影響流量與壓差下降之間的關系。氣體協會在其報告中提供了使用腰輪流量計計算任何氣體的體積流量的公式,以補償氣體壓力和溫度的變化。

                        此處顯示了該公式的變體(與本節中的先前公式一致):

                        其中,

                        Q =體積流量(SCFM =標準立方英尺/分鐘)

                        N =單位轉換系數

                        C =排放系數(考慮能量損失,雷諾數校正,壓力抽頭位置等)

                        Y =氣體膨脹系數

                        A1 =交叉嘴的截面積

                        A2 =喉部的截面積

                        Zs =標準條件

                        下氣體的可壓縮系數Zf1 =流動條件下氣體的可壓縮系數

                        Gf =氣體的比重(相對于環境空氣的密度)

                        T =絕對溫度氣體

                        P1 =上游壓力(絕對值)

                        P2 =下游壓力(絕對值)

                        該方程式意味著除了腰輪流量計產生的壓差(P1-P2)之外,還連續測量管道內的絕對氣體壓力(P1)和絕對氣體溫度(T )。這些測量可以通過三個獨立的設備進行,它們的信號被路由到氣流計算機:

                  腰輪流量計補償

                        注意RTD熱電偶套管的位置,它位于腰輪流量計的下游,因此它產生的湍流不會在腰輪流量計上產生額外的湍流。氣體協會允許將熱電偶套管向上游放置,但前提是必須位于流量調節器上游至少三英尺處。為了最好地控制獲得良好孔口計量精度所需的所有物理參數,貿易交接流量計裝置的標準做法是使用珩磨的流量計,而不是標準的管道和管件。

                        “珩磨管路”是一個完整的管道組件,包括用于固定腰輪流量計的制造配件以及在上游和下游有足夠長的直管段,該管的內表面經過機加工(“珩磨”)以具有光滑的玻璃表面。精確而對稱的尺寸。珩磨運行可確保對流動的氣體或液體的干擾降到最低,從而避免不必要的湍流或扭曲的流量曲線,從而提高了測量精度。這樣的管道“管路”非常昂貴,但是對于實現值得貿易交接的流量測量精度是必需的。

                  腰輪流量計

                        這張照片顯示了一組符合氣體協會標準的腰輪流量計,用于測量天然氣流量:

                        請注意特殊的變送器歧管,可同時容納差壓和絕對壓力變送器。還要注意固定腰輪流量計的快速更換配件(帶肋的金屬外殼),以方便方便地更換腰輪流量計,這是由于磨損而經常需要的。在某些行業,每天更換腰輪流量計以確保精確測量所必需的尖銳的孔口邊緣并非是聞所未聞的。盡管在這張照片中看不到,但這些儀表管路是通過截止閥網絡連接在一起的,這些閥將天然氣流引導通過所需的盡可能少的儀表管路。當總氣體流量很大時,所有流量計都將投入使用,并且將它們各自的流量加總以得出總流量測量值。當總流量降低時,將關閉各個儀表管路,從而導致通過其余儀表管路的流速增加。

                        這種“分階段”的流量計運行擴展了腰輪流量計作為流量傳感元件的有效量程比或量程比,與使用單個(大)腰輪流量計運行相比,可在更寬的流量范圍內實現更精確的流量測量。

                  整體腰輪流量計

                        這張照片顯示了用于測量純氧氣(氣體)線上的質量流量,腰輪流量計是變送器主體正下方的“整體”單元,夾在銅線上的兩個法蘭板之間。一個三閥歧管將變送器與整體腰輪流量計結構連接起來:

                        溫度補償RTD可以清晰地在照片的左側看到,安裝在銅管的彎頭處。液體流量測量應用也可能會受益于補償,因為液體密度會隨溫度變化。此處靜壓不是問題,因為出于所有實際目的,液體被認為是不可壓縮的。因此,用于補償液體流量測量的公式不包括任何靜壓項,僅包括壓差和溫度:

                  上式中的常數kT是隨著溫度升高液體膨脹的比例因子。

                        測得條件(T)與參考條件(Tref)之間的溫度差乘以該系數,就可以確定與參考溫度下的密度相比,液體的密度要低多少。應當指出,某些液體(尤其是碳氫化合物)的熱膨脹系數明顯大于水。如果測量原理是基于體積而不是基于質量,則這對于烴類液體流量測量的溫度補償非常重要。


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