渦街流量計(jì)

江蘇奧科儀表有限公司

奧科AK-LUGB渦街流量計(jì)的基本原理是卡門渦街原理,即“渦街旋渦分離頻率與流速成正比"。變送器流通本體直徑與儀表的公稱口徑基本相同。如圖一所示,流通本體內(nèi)插入有一個(gè)近似為等腰三角形的柱體,柱體的軸線與被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)方向垂直,底面迎向流體。 

     
當(dāng)被測(cè)介質(zhì)流過(guò)柱體時(shí),在柱體兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦,旋渦不斷產(chǎn)生和分離,在柱體下游便形成了交錯(cuò)排列的兩列旋渦即“渦街"。理論分析和實(shí)驗(yàn)已證明,旋渦分離的頻率與柱側(cè)介質(zhì)流速成正比。

旋渦交錯(cuò)分離,在柱體兩側(cè)及柱體后面的尾流中產(chǎn)生脈動(dòng)的壓力,設(shè)在柱體內(nèi)部（或后面）的檢測(cè)探頭受到這種微小的脈動(dòng)壓力的作用,使埋設(shè)在探頭內(nèi)的壓電晶體元件受到交變應(yīng)力而產(chǎn)生交變電荷信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器上的電荷變換、放大，濾波限幅和觸發(fā)整形處理后，輸出頻率與旋渦分離頻率相同的方波電壓脈沖信號(hào)。該信號(hào)再送到就地顯示儀，傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測(cè)流體。一段時(shí)間內(nèi)的輸出總脈沖數(shù),將代表這段時(shí)間內(nèi)流過(guò)傳感器的流體總體積。

測(cè)量選型方法如果按工作原理細(xì)分，可分為直接式質(zhì)量流量計(jì)和推導(dǎo)式(也稱間接式)質(zhì)量流量計(jì)兩大類。前者直接檢測(cè)與質(zhì)量流量成函數(shù)關(guān)系的變量求得質(zhì)量流量；后者用體積流量計(jì)和其他變量測(cè)量?jī)x表，或兩種不同測(cè)量原理流量計(jì)組合成的儀表，經(jīng)計(jì)算求得質(zhì)量流量。
現(xiàn)在人們廣泛使用的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)絕大多數(shù)仍為推導(dǎo)式。其中，以節(jié)流式差壓流量計(jì)和為核心組成的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)是主流，這兩種方法有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，而且具有良好的互補(bǔ)性。在差壓式流量計(jì)中，線性孔板以其范圍度廣、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)占有一定*，除此之外，科利奧里質(zhì)量流量計(jì)、均速管流量計(jì)、超聲流量計(jì)等在蒸汽流量測(cè)量中也有應(yīng)用。

在流體中設(shè)置三角柱型旋渦發(fā)生體，則從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖（一）所示。

                  
圖（一）旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為V，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式:

式中：f－發(fā)生體一側(cè)產(chǎn)生的卡門旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數(shù)

V－流體的平均流速

d－柱體流面寬度

D-管道內(nèi)徑

式中：K＝儀表常數(shù)（1/m3）。

M=質(zhì)量流量

Q＝體積流量（m3/h）

ρ=介質(zhì)密度（kg/m3）

F=頻率Hz

特點(diǎn)：

脈沖式（脈沖信號(hào)輸出）    電池供電（電池供電脈沖信號(hào)輸出）

用途及說(shuō)明：
1 用節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量
 
節(jié)流式差壓流量計(jì)的一般表達(dá)式為

式中 qm——質(zhì)量流量， kg/s；
C——流出系數(shù)；
εl——節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；
d——工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，m；
Δρ——差壓， Pa；
ρ1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度， kg/m3；
β——直徑比，β=d/D；
D——管道內(nèi)徑，m。
在式(3.1)中，β和d為常數(shù)，C和εl在一定的流量范圍之內(nèi)也可看作常數(shù)，因此式(3.1)可簡(jiǎn)化為

從式(3.2)可清楚看出，儀表示值同ρ1密切相關(guān)。而蒸汽工況(溫度t，壓力ρ)的變化，必然使ρl產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，差壓式流量計(jì)必須與用以求取蒸汽密度的工況測(cè)量?jī)x表配合，并同計(jì)算部分一起組成推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)，才能保證測(cè)量精確度。
在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，常用測(cè)量點(diǎn)附近的流體溫度、壓力，經(jīng)計(jì)算后求得相應(yīng)的密度，再經(jīng)演算求得瞬時(shí)質(zhì)量流量，通常稱作溫度、壓力補(bǔ)償。根據(jù)水蒸氣的性質(zhì)和特點(diǎn)，在過(guò)熱狀態(tài)和飽和狀態(tài)時(shí)可有不同的補(bǔ)償方法。
(1)過(guò)熱蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量 當(dāng)流體為過(guò)熱蒸汽時(shí)，ρl取決于流體壓力P1和流體溫度tl。圖3.1所示為測(cè)量系統(tǒng)。

(2)飽和蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量 飽和蒸汽的壓力和溫度是密切相關(guān)的，臨界飽和狀態(tài)的蒸汽從其壓力查得的密度同從其溫度查得的密度是相等的，所以推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量其流量時(shí)，既可采用壓力補(bǔ)償也可采用溫度補(bǔ)償。采用壓力補(bǔ)償時(shí)，是利用ρ1=f(P1)的關(guān)系獲得ρ1；采用溫度補(bǔ)償時(shí)，是利用P1= f(tl)的關(guān)系獲得ρ1。兩種方法中以壓力補(bǔ)償較宜，詳見(jiàn)3.1.5節(jié)分析。
圖3.2(a)所示為壓力補(bǔ)償法，圖3.2(b)所示為溫度補(bǔ)償法。

 
2 用雙量程差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量
 
差壓式流量計(jì)有它固有的缺陷，即范圍度不理想，這主要是由其測(cè)量原理決定的。對(duì)流量不確寇度影響zui大(也是流量測(cè)量范圍度影響zui大)的因素是差壓測(cè)量不確定度：

例如，對(duì)于0.075級(jí)精確度等級(jí)的變送器，在時(shí)在時(shí)由式(3.3)可知，在后一種情況下，對(duì)流量測(cè)量不確定度的影響為1%。即為了獲得±1%的流量測(cè)量精度，如果選用的是O.075精度等級(jí)的差壓變送器，只有在差壓大于3.75%FS，即流量大于19.36%FS時(shí)，才能保證精確度。
為了提高流量量程低端的測(cè)量精確度，必須大大提高低差壓段的差壓測(cè)量精確度，其中zui省力、zui有效的方法是增設(shè)一個(gè)低量程差壓變送器，組成雙量程差壓流量計(jì)。
(1)增設(shè)一個(gè)低量程差壓變送器 一臺(tái)差壓變送器，其差壓低端的示值誤差無(wú)法進(jìn)一步減小的原因是其精確度并非可以任意確定，而且受膜盒面積等因素制約，其實(shí)膜盒面積制約的不僅僅是精確度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的差壓值，還有環(huán)境溫度影響以及長(zhǎng)期漂移影響所對(duì)應(yīng)的差壓值。
提高相對(duì)流量較小時(shí)的差壓測(cè)量精確度，另外增設(shè)一臺(tái)低量程差壓變送器是一個(gè)行之有效的方法。
例如有一蒸汽流量測(cè)量對(duì)象，zui大流量100t/h，zui小流量3t/h，常用壓力1.lMPa，常用溫度250℃，公稱通徑DN500，高量程差壓變送器選用O.075級(jí)中差壓變送器，測(cè)量范圍： O~ 100kPa，低量程差壓變送器選用O.075級(jí)低差壓變送器，測(cè)量范圍設(shè)定為O~3.75kPa，這樣，兩臺(tái)變送器在智能二次表的指揮下，自動(dòng)切換，相互配合，在流量量程3~100%范圍內(nèi)， 為1.25%。
①其他因素的對(duì)策。節(jié)流式差壓流量計(jì)的測(cè)量不確定度不僅與差壓測(cè)量的不確定度有關(guān)，而且與流量密度ρ1、流出系數(shù)C的非線性以及可膨脹性系數(shù)ε1的不確定度有關(guān)，為了消除或基本消除這些因素對(duì)流量測(cè)量不確定度的影響，可在二次表內(nèi)按規(guī)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行密度補(bǔ)償、流出系數(shù)補(bǔ)償、可膨脹性系數(shù)校正等。具體方法將在本書的第8章討論。
②防止差壓信號(hào)的傳遞失真。在式(3.3)所示的差壓測(cè)量不確定度同流量測(cè)量不確定度的關(guān)系中，是假定差壓變送器輸入的差壓值與節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓值*，但是，導(dǎo)壓管在將節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓引到變送器的過(guò)程中，由于多種原因，很容易產(chǎn)生差壓信號(hào)傳遞失真。在這些原因中，有根部閥選型安裝不合理，導(dǎo)壓管坡度不符合要求，冷凝器安裝高度不相同，導(dǎo)壓管太長(zhǎng)而且管內(nèi)傳輸介質(zhì)(液體)溫度不相同等問(wèn)。在被測(cè)介質(zhì)為干氣體時(shí)，這種傳遞失真一般可忽略，在被測(cè)介質(zhì)為溫氣體和蒸汽時(shí)，如果不注意就會(huì)引起傳遞失真。
對(duì)于一個(gè)具體的流量測(cè)量裝置，相同的差壓信號(hào)傳遞失真，在流量為不同值時(shí)，其影響也不一定，其中相對(duì)流量較大時(shí)，影響較小，相對(duì)流量較小時(shí)，影響較大，這是因?yàn)橄鄬?duì)流量較小時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)較小的緣故。所以，在雙量程差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)和安裝中，要特別注意差壓信號(hào)的傳遞失真，想方設(shè)法盡量避免這種失真。
圖3. 3所示是采用一體化方法來(lái)避免差壓信號(hào)傳遞失真的一個(gè)實(shí)例。圖中用冷凝管將代替冷凝器，導(dǎo)壓管也很短，在節(jié)流裝置和差壓變送器之間沒(méi)有引起傳遞失真的零部件，只要工藝管道的水平度較好，差壓信號(hào)的傳遞失真就可忽略。

(2)高低量程的選定對(duì)于一套雙量程與差壓流量計(jì)，高低量程切換點(diǎn)的選定是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，不僅受范圍度要求的制約、允許壓損的制約、系統(tǒng)不確定度的制約，而且受差壓變送器規(guī)格的制約。
具體設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需遵循下面的原則。
①在壓損允許的前提下，將高量程的差壓上限盡量選得大一些。這樣，zui小流量所對(duì)應(yīng)的差壓值可相應(yīng)大一些，以減小各種干擾因素對(duì)小流量測(cè)量精確度的影響。
②系統(tǒng)不確定度能滿足用戶的要求。尤其要保證大流量時(shí)的系統(tǒng)不確定度。
③不必強(qiáng)調(diào)節(jié)流裝置的不確定度，因此流量在很大的范圍內(nèi)變化，流出系數(shù)相應(yīng)的變化和可膨脹性系數(shù)相應(yīng)的變化都較大，但是，這些變化都可以在二次表內(nèi)得到補(bǔ)償和校正。zui終對(duì)系統(tǒng)不確定度的影響仍可忽略。
遵循這些原則，在上面的例子中，高量程差壓上限取100kPa，選用中差壓變送器。而低量程差壓上限選3kPa，選用低差壓變送器，相應(yīng)的流量切換點(diǎn)為17.326t/h。這樣，在切換點(diǎn)處，高量程變送器的差壓不確定度為2.5%，對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)不確定的影響為1.25%。而低量程時(shí)，差壓測(cè)量不確定度為2.5%所對(duì)應(yīng)的差壓值為0.09kPa，對(duì)應(yīng)的流量值為3t/h。
(3)討論
①過(guò)范圍運(yùn)行問(wèn)題。在雙量程差壓流量計(jì)中，低量程差壓變送器很多時(shí)候是在過(guò)范圍的條件下工作的，過(guò)范圍的差壓值盡管不是很可觀，但畢竟已使變送器內(nèi)的膜盒進(jìn)入過(guò)載保護(hù)狀態(tài)。由于現(xiàn)代新型的差壓變送器內(nèi)的傳感器特殊設(shè)計(jì)的過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)，使得它具有優(yōu)秀的單向過(guò)壓性能，即使過(guò)壓16MPa，也能*恢復(fù)而*跡。
②開平方運(yùn)算放在差壓變送器內(nèi)進(jìn)行較有利。在變送器和二次表中，開平方運(yùn)算都是由單片機(jī)完成的，開平方運(yùn)算本身都不增加誤差，因?yàn)槎际菙?shù)字量運(yùn)算。但是，差壓變送器測(cè)得的差壓值(數(shù)字量)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成4~20mA，送入流量二次表后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程中，要損失二次精度。例如l%FS的流量值幅值放大了10倍，而較大幅值的模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程中，損失的精度相對(duì)要小些，因此，在用模擬信號(hào)傳送此信號(hào)時(shí)，開平方運(yùn)算放在差壓變送器中完成較合理。
如果采用數(shù)字信號(hào)傳送此信號(hào)，則無(wú)上述差異。
?用數(shù)字信號(hào)傳送差壓信號(hào)。現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的差壓變送器，大多數(shù)己實(shí)現(xiàn)智能化。在差壓變送器中，膜盒感知的未經(jīng)處理的差壓信號(hào)，由數(shù)字運(yùn)算部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償、靜壓補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)忍幚碇螅梢詳?shù)字通信的方式輸出，也可經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA信號(hào)，然后輸出。
后級(jí)儀表流量演算器如果以數(shù)字通信的方法接受差壓信號(hào)，則*不損失精度。而如果以其模擬輸入口接受差壓信號(hào)，則由于D/A和A/D的兩次轉(zhuǎn)換，損失相應(yīng)的精度。這種精度的損失，在相對(duì)流量高的區(qū)間，影響約為0.3%，但在相對(duì)流量低的區(qū)間，影響顯著增大，相對(duì)流量越小，影響越小。所以推薦用數(shù)字量傳送差壓信號(hào)。
 
3 用線性孔板差壓流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量
 
傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)zui大的不足是在被測(cè)流量相對(duì)于滿量程流量較小時(shí)，差壓信號(hào)很小，這一缺點(diǎn)大大影響其范圍度和測(cè)量精確度。人們針對(duì)其不足在傳統(tǒng)的孔板式差壓流量計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)了可變面積可變壓頭孔板流量計(jì)。因?yàn)槠漭敵龅牟顗盒盘?hào)與被測(cè)流量之間有線性關(guān)系，所以也稱線性孔板差壓流量計(jì)。
(1)線性孔板流量計(jì)工作原理線性孔板又稱彈性加載可變面積可變壓頭孔板，其環(huán)隙面積隨流量大小而自動(dòng)變化，曲面圓錐形塞子在差壓彈簧力的作用下來(lái)回移動(dòng)，環(huán)隙變化使輸出信號(hào)(差壓)與流量成線性關(guān)系，井大大地?cái)U(kuò)大范圍度，其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。
在孔板流量計(jì)中，當(dāng)流體流過(guò)開孔面積為A的孔板時(shí)，流量q與孔板前后產(chǎn)生的差壓之間有如下關(guān)系，即

式中 q——流量；
Kl——常數(shù)；
A——孔板開孔面積；
Δρ——差壓。

在如圖3.4所示的線性孔板中，于孔板處插入一個(gè)紡錘形活塞，由差壓引起的活塞彈簧組件的壓縮量(活塞的移動(dòng)距離)為x，則式(3.5)成立，即

式中 K2——彈簧系數(shù)。
當(dāng)活塞向前移動(dòng)時(shí)，流通面積受活塞形狀的影響而發(fā)生變化，其關(guān)系為

式中 K3——常數(shù)。
由式(3.5)和式(3.6)得

將式(3.7)代入式(3.4)得

式中 K——常數(shù)
由式(3.8)可知，流量與差壓成線性關(guān)系，所以取出差壓信號(hào)即可得到流量。
(2)特點(diǎn)
①范圍度寬。在使用0.1%精確度的差壓變送器時(shí)典型的線性孔板差壓式流量計(jì)可測(cè)范圍為1%~100%FS，保證精確度的范圍為5% ~100%FS(若使用更高精確度的差壓變送器，如0.05%精確度，范圍度可進(jìn)一步提高)，困此，對(duì)于流量變化大的測(cè)量對(duì)象，一臺(tái)流量計(jì)就可解決。能適應(yīng)蒸汽、燃油測(cè)量的夏季、冬季負(fù)荷變化。
②線性差壓輸出。差壓信號(hào)與流量成線性關(guān)系，被測(cè)流量相對(duì)于滿量程流量較小時(shí)，差壓信號(hào)幅值也較大，有利于提高測(cè)量精確度。
③直管段要求低。由于孔板的變面積設(shè)計(jì)，使其成為在高雷諾數(shù)條件下工作的測(cè)量機(jī)構(gòu)，可在緊靠彎管、三通下游的部位進(jìn)行測(cè)量(為了保證測(cè)量精確度，制造廠還是要求上游直管段≥6倍管徑，下游直管段≥3倍管徑)。
(3)保證測(cè)量精確度的措施典型的線性孔板流量計(jì)GILFLO承諾具有±1%精確度， 為了達(dá)到這一指標(biāo)，采取了幾項(xiàng)重要措施，其中包括如下幾項(xiàng)。
①對(duì)線性孔板逐臺(tái)用水標(biāo)定。
從式(3.5)和式(3.6)可知，只要線性孔板中的彈簧線性好，而且活塞被加工成理想形
狀，使得流通面積A與位移X的1/2次方成線性關(guān)系，就能使差壓與流量之間的線性關(guān)系成立，但是，活塞的曲面加工得很理想是困難的，zui終不得不用逐臺(tái)標(biāo)定的方法來(lái)彌補(bǔ)這一不足。
Spirax-sarco公司對(duì)線性孔板進(jìn)行逐臺(tái)標(biāo)定是以水為介質(zhì)，不同口徑的線性孔板均選擇14個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，其中流量較小時(shí)，標(biāo)定點(diǎn)排得較密，圖3.5所示為一臺(tái)DN200線性孔板的標(biāo)定曲線。圖中的差壓?jiǎn)挝粸閕nH20，(lin H20= 249.0889Pa)，表3.1所列是一臺(tái)DN200的線性孔板的實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)，其中從體積流量換算到質(zhì)量流量是建立在水的密度ρ=998.29 kg/m3基礎(chǔ)上的。
而利用標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)線性孔板的非線性誤差進(jìn)行校正還需借助于流量二次表。具體做法是將標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入二次表中的折線表，然后二次表根據(jù)輸入的差壓信號(hào)(電流值)用查表和線性內(nèi)插的方法求得水流量值qmw。

得到水流量值還不是zui終目的，因?yàn)楸粶y(cè)流體不一定是水，當(dāng)被測(cè)流體為其他流體時(shí)，用式(3.9)進(jìn)行密度校正。

式中 qm——被測(cè)流體質(zhì)量流量， kg/h；
qmw——標(biāo)定流體(水)流量， kg/h；
ρf——被測(cè)流體密度， kg/m3；
ρw——標(biāo)定流體(水)密度， kg/m3。
②雷諾數(shù)校正。孔板流量計(jì)的流量系數(shù)同雷諾數(shù)之間有確定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量流量變化時(shí)，雷諾數(shù)成正比變化，因而引起流量系數(shù)的變化。在GILFLO型流量計(jì)中，采用較簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式(3.10)進(jìn)行雷諾數(shù)校正。

式中 kre ——雷諾數(shù)校正系數(shù)；
n——常數(shù)， kg/h。
但若計(jì)算結(jié)果大于m值時(shí)，則取kre=m。n和m數(shù)值同孔板的口徑DN有關(guān)，已經(jīng)固化在制造商提供的流量二次表內(nèi)。
③溫度對(duì)線性孔板的影響及其校正。溫度對(duì)線性孔板影響使之產(chǎn)生誤差主要通過(guò)三條途徑。
a.流體溫度變化引起流體密度變化，從而導(dǎo)致差壓與流量之間的關(guān)系變化。
b.流體溫度變化引起管道內(nèi)徑、孔板開孔直徑以及活塞幾何尺寸的變化，溫度升高， 環(huán)隙面積增大，導(dǎo)致流量計(jì)示值有偏低趨勢(shì)。
c.流體溫度變化，線性孔板中的承載彈簧溫度相應(yīng)變化，引起式(3.5)中的彈簧常數(shù) K2發(fā)生變化。溫度升高，K2減小，活塞位移X增大，用通俗的話來(lái)說(shuō)就是溫度升高，彈簧變軟，在相同的差壓條件下，活塞位移增大。因此，環(huán)隙面積相應(yīng)增大，流量計(jì)示值也有偏低趨勢(shì)。
上述三條途徑對(duì)流量示值的影響都可以進(jìn)行校正，其中途徑a可由式(3.13)中的流體密度進(jìn)行補(bǔ)償。在線性孔板用來(lái)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，流體溫度作為自變量，參與查蒸汽密度表，從而可由二次表自動(dòng)進(jìn)行此項(xiàng)補(bǔ)償。途徑b和C流量示值的影響關(guān)系較復(fù)雜，在GIL-FLO型流量計(jì)中。采用式(3.11)所示的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校正。

式中 kt——溫度校正系數(shù)；
B——系數(shù)， ℃-1(取B=0.000189℃-1) ；
t——流體溫度，℃；
tc——標(biāo)定時(shí)流體溫度，℃ (tc常為20℃)。
此項(xiàng)校正也是在流量二次表中完成的，其中t為來(lái)自溫度傳感器(變送器)的流體溫度信號(hào)。
④可膨脹性校正。節(jié)流式差壓流量計(jì)用來(lái)測(cè)量蒸汽、氣體流量時(shí)，必須進(jìn)行流體的可膨脹性(expansibility)校正，線性孔板也不例外。傳統(tǒng)孔板的可膨脹性系數(shù)修正請(qǐng)參閱本書第8章8.2節(jié)。在GILFLO型流量計(jì)中用式(3.12)進(jìn)行校正。

式中是ε——可膨脹性系數(shù)；
β——直徑比(孔板開孔直徑與管道內(nèi)徑之比）；
Δp——差壓， Pa；
κ——等熵指數(shù)；
ρ1——節(jié)流件正端取壓口絕壓， Pa。
可膨脹性校正也在流量二次表中完成，由二次表進(jìn)行在線計(jì)算。
⑤蒸汽質(zhì)量流量的計(jì)算。用GILFLO型流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，蒸汽質(zhì)量流量在二次表中由式(3.13)計(jì)算得到。

式中 qms——蒸汽質(zhì)量流量， kg/h；
Kre——雷諾數(shù)校正系數(shù)；
Kε——可膨脹性系數(shù)；
Kt——溫度校正系數(shù)；
ρf——被測(cè)流體工作狀態(tài)密度， kg/m3；
ρw——標(biāo)定流體(水)的密度， kg/m3；
qmw——水的質(zhì)量流量， kg/h。
在流量二次表中，先由差壓輸入信號(hào)查折線表得到qmw，再由蒸汽溫度、壓力值查蒸汽密度表得ρf，然后與校正系數(shù)kre、kε、kt一起(ρw為設(shè)置數(shù)據(jù))計(jì)算得到蒸汽質(zhì)量流量qms。
GILFLO型流量計(jì)的安裝如圖3.6所示。

 
4 用測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量
 
是體積流量計(jì)，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，其輸出只與體積流量成正比。的輸出有頻率信號(hào)和模擬信號(hào)兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)f/I轉(zhuǎn)換得到的。這一轉(zhuǎn)換大約要損失0.1%精確度。所以用來(lái)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，用戶更愛(ài)選用頻率輸出。
頻率輸出更受熱力公司等用戶歡迎的另外幾個(gè)原因如下。
a.頻率輸出價(jià)格略低(非智能型)。
b.頻率輸出滿量程修改更方便，只需對(duì)可編程流量演算器面板上的按鍵按規(guī)定的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作就可實(shí)現(xiàn)。
c.由頻率輸出輸出的頻率信號(hào)計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量，只需知道流體當(dāng)前工況， 而模擬輸出的溫壓補(bǔ)償只是對(duì)當(dāng)前工況偏離設(shè)計(jì)工況而引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此，不僅需知道當(dāng)前工況，還需知道設(shè)計(jì)工況。后一種工況數(shù)據(jù)常常因?yàn)闀r(shí)間推移或人事變遷導(dǎo)致資料遺失而引起差錯(cuò)，相比之下，頻率輸出卻不會(huì)有此問(wèn)題。詳見(jiàn)本書第8章8.6節(jié)分析。
頻率輸出測(cè)量質(zhì)量流量的表達(dá)式為

式中 qm——質(zhì)量流量， kg/h；
f——輸出頻率， P/s；
Kt——工作狀態(tài)下的流量系數(shù)， P/L；
ρf——流體密度， kg/m3。
當(dāng)被測(cè)流體為過(guò)熱蒸汽時(shí)，可從

查表求得工作狀態(tài)下的流體密度。測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖3.7。
當(dāng)被測(cè)流體為飽和蒸汽時(shí)，可從

查表求得工作狀態(tài)下的流體密度，其原理同前節(jié)所述。其測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖3.8。

在式(3.14)中，ρf應(yīng)是出口的流體密度，因此，ρf的測(cè)壓點(diǎn)應(yīng)取在出口的規(guī)定管段上。
有些研究成果表明，臨界飽和狀態(tài)蒸汽經(jīng)減壓后會(huì)發(fā)生相變，即從飽和狀態(tài)變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，這時(shí)，將其仍作為飽和蒸汽從式(3.16)或式(3.17)的關(guān)系求取ρf，必將引入較大誤差。如果出現(xiàn)這種情況，應(yīng)進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。
 
5 蒸汽密度求取方法比較
 
從上面的分析可知，工程上普遍使用的推導(dǎo)式蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)，關(guān)鍵是求取蒸汽密度。歸納起來(lái)主要是采用數(shù)學(xué)模擬法和查表法兩類方法。
（1）用數(shù)學(xué)模型求取蒸汽密度在工程設(shè)計(jì)和計(jì)算中，工程師們經(jīng)常需要求取蒸汽密度數(shù)據(jù)，采用的傳統(tǒng)方法是由蒸汽的狀態(tài)數(shù)據(jù)查蒸汽密度表。但是未采用微處理器前，這種人工查表的方法還無(wú)法移植進(jìn)儀表，而仍采用數(shù)學(xué)模型的方法。人們建立了多種的數(shù)學(xué)模型以滿足不同的需要，下面列舉使用zui廣泛的幾種。
①一次函數(shù)法。這種方法的顯著特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，適用于飽和蒸汽，其表達(dá)式為

式中 ρ——蒸汽密度， kg/m3
P——流體壓力， MPa；
A、B——系數(shù)和常數(shù)。
式(3.18)不足之處是僅在較小的壓力范圍內(nèi)變化適用，壓力變化范圍較大時(shí)，由于誤差太大，就不適用了。因?yàn)閷?duì)于飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，ρ=f(ρ)是一條曲線，用一條直線擬合它，范圍越大，當(dāng)然誤差越大。
解決這個(gè)矛盾的方法是分段擬合，即在不同的壓力段采用不同的系數(shù)和常數(shù)。表3.2所示為不同壓力段對(duì)應(yīng)的不同密度計(jì)算式。

②用指數(shù)函數(shù)擬合密度曲線。使用較多的是
 （3.19）
式(3.19)描述的是一條曲線，用它來(lái)擬合飽和蒸汽的ρ=f(P)曲線能得到更高的精確度，但是在壓力變化范圍較大的情況下，仍有千分之幾的誤差。
③狀態(tài)方程法。狀態(tài)方程法用于計(jì)算過(guò)熱蒸汽密度，其中著名的有烏卡諾維奇狀態(tài)方程：

式中 ρ——壓力， Pa；
v——比體積， m3/kg；
R——氣體常數(shù)， R=461J/(kg· K)；
T——溫度， K；

         
(2)計(jì)算機(jī)查表法 上面所說(shuō)的通過(guò)數(shù)學(xué)模型求取蒸汽密度的誤差都是同人工查密度表方法相比較而言。現(xiàn)在智能化儀表將蒸汽密度表裝入其內(nèi)存中，在CPU的控制下，模仿人工查表的方法，采用計(jì)算機(jī)查表與線性內(nèi)插相結(jié)合的技術(shù)，能得到與人工查表相同的精確度。
現(xiàn)在上通用的蒸汽密度表是根據(jù)"工業(yè)用1967年IFC公式"計(jì)算出來(lái)的。1963年于紐約舉行的第八屆水蒸氣性質(zhì)會(huì)議上，成立了公式委員會(huì)(IFC)。若干年后，該委員會(huì)提出了*的"工業(yè)用1967年IFC公式"及"通用和科研用1968年IFC公式"。 21年后在1984年于莫斯科舉行的第十屆蒸汽性質(zhì)會(huì)議上，又廢除了"通用和科研用1968年IFC公式"。因此，"工業(yè)用1967年IFC公式"仍是當(dāng)前廣泛使用的公式。
由于這個(gè)公式十分復(fù)雜，一般使用者很難直接使用它，研究者根據(jù)這個(gè)公式編制了蒸汽性質(zhì)表格，供人們查閱。本書的附錄C摘錄了其中部分?jǐn)?shù)據(jù)。
(3)關(guān)于IAPWS-IF97公式 IAPWS-IF97公式有很多對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)和研究很有意義的優(yōu)點(diǎn)。
它的適用范圍更為廣泛，在IFC67公式適用范圍基礎(chǔ)上，增加了在研究和生產(chǎn)中漸漸用到的低壓高溫區(qū)。IAPWS-IF97公式適用范圍： 273.15K≤T≤2273.15K，ρ≤100MPa，而且在原有的水和水蒸氣參數(shù)V， S，h，Cp， Cv基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)重要參數(shù)：聲速W。
在水和水蒸氣的性質(zhì)計(jì)算中有個(gè)很重要的狀態(tài)判斷，即臨界狀態(tài)的判斷。在IAPWS-IF97公式中，對(duì)于臨界點(diǎn)性質(zhì)有具體的規(guī)定：

但在工業(yè)蒸汽流量測(cè)量常用范圍內(nèi)(溫度0~600℃，壓力O.1~5MPa)。兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果偏差卻極小，如表3-3所示。

由于這個(gè)原因，在蒸汽流量測(cè)量方面，人們?nèi)匀黄毡槭褂么蠹冶容^熟悉的已使用多年的根據(jù)IFC67公式編制的蒸汽密度表(比容表)。
下面以典型智能流量演算器為例說(shuō)明自動(dòng)查表的實(shí)施方法。
在智能流量演算器的EPROM中寫入3個(gè)蒸汽密度表，1號(hào)表是過(guò)熱蒸汽密度表，另外兩個(gè)是飽和蒸汽密度表(見(jiàn)附錄C，采用的都是蒸汽密度表1967 IFC公式計(jì)算出來(lái)的。其中，過(guò)熱蒸汽密度表有蒸汽溫度和蒸汽壓力兩個(gè)自變量。2號(hào)表是蒸汽壓力為自變量。3號(hào)表是蒸汽溫度為自變量。這樣，測(cè)得蒸汽溫度或測(cè)得蒸汽壓力都能通過(guò)查表求得蒸汽密度。究竟是選查ρ= f(P)表格還是ρ= f(t)表格，則在填寫組態(tài)菜單時(shí)由用戶自己選定。
①查表的優(yōu)先權(quán)問(wèn)題。過(guò)熱蒸汽的密度隨蒸汽溫度、壓力變化的關(guān)系是三維空間中的一個(gè)曲面，有兩個(gè)自變量，因此在查密度表時(shí)就存在一個(gè)優(yōu)先權(quán)的問(wèn)題。若先從壓力查起，就稱壓力優(yōu)先；若先從溫度查起，就稱溫度優(yōu)先。
而對(duì)于飽和蒸汽，若選壓力補(bǔ)償，則為壓力優(yōu)先；若選溫度補(bǔ)償，則為溫度優(yōu)先。
上述三種情況優(yōu)先關(guān)系由用戶在填寫菜單時(shí)，如表3.4所列。

②蒸汽狀態(tài)判別問(wèn)題。典型流量演算器具有蒸汽狀態(tài)判別功能。根據(jù)判別結(jié)果，查不同的密度表。以過(guò)熱蒸汽為例，在圖3.9所示的查表示意圖中，從壓力測(cè)定值ρ0出發(fā)去查溫度，如果溫度測(cè)定值大于飽和溫度t1，則判別蒸汽為"過(guò)熱蒸汽"，查1號(hào)密度表，例如，t=t2，則ρ=ρf2。如果溫度測(cè)定值小于t1，則判別蒸汽狀態(tài)為"過(guò)飽和蒸汽"，查2號(hào)密度 表，ρ=Pfl，此時(shí)，溫度信號(hào)與壓力信號(hào)不平衡，所以，儀表自診斷顯示"000800"代碼，表示蒸汽狀態(tài)已進(jìn)入飽和區(qū)。
      
③飽和蒸汽密度求取方法。如果優(yōu)先欄內(nèi)填入2(壓力優(yōu)先)，則手動(dòng)設(shè)定溫度置100℃，從壓力測(cè)定值出發(fā)查出飽和溫度。因?yàn)榇藭r(shí)溫度信號(hào)取手動(dòng)設(shè)定值，所以判別蒸汽狀態(tài)為"過(guò)飽和蒸汽"(如圖3.10所示)，查2號(hào)表。
如果優(yōu)先欄內(nèi)填入1(溫度優(yōu)先)，則于動(dòng)設(shè)定壓力一般置22MPa(密度表中壓力上限)，從溫度測(cè)定值出發(fā)查飽和壓力。因?yàn)榇藭r(shí)壓力信號(hào)取于動(dòng)設(shè)定值，所以判別蒸汽狀態(tài)為"過(guò)飽和蒸汽"(如圖3.11所示)，查3號(hào)表。
上面所談的蒸汽密度求取方法，用戶不一定都要搞清楚，其原因在于用戶只須根據(jù)自己所用的流體參數(shù)選擇合適的補(bǔ)償方法，并在菜單中填入有關(guān)數(shù)據(jù)即可。但是對(duì)于飽和蒸汽究竟是采用壓力補(bǔ)償還是溫度補(bǔ)償?shù)故呛苤匾摹?br />④直接查表法。有的儀表制造商采用的是直接查表法，即儀表內(nèi)存放的三張蒸汽密度表由編碼開關(guān)其選用：采用壓力補(bǔ)償?shù)娘柡驼羝?jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以壓力為自變量的飽和蒸汽密度表；采用溫度補(bǔ)償?shù)娘柡驼羝?jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以溫度為自變量的飽和蒸汽密度表；對(duì)于過(guò)熱蒸汽，經(jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以溫度和壓力為自變量的過(guò)熱蒸汽密度表。編碼開關(guān)設(shè)置完畢，長(zhǎng)期使用。
 
6 溫度壓力測(cè)口位置的合理選擇
 
實(shí)施流體溫度、壓力補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)合理選擇溫度、壓力測(cè)口的位置，因?yàn)檎羝砸欢魉倭鬟^(guò)流量測(cè)量?jī)x表時(shí)，測(cè)壓口選在不同的位置得到的測(cè)量值是不同的。測(cè)溫口也有類似的情況。
從流量計(jì)使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)看，用于溫壓補(bǔ)償?shù)臏y(cè)溫口、測(cè)壓口位置雖然多種多樣，但大多數(shù)是測(cè)壓口在前，測(cè)溫口居后。即測(cè)壓口開在流量計(jì)上游的管道上，測(cè)溫口開在流量計(jì)下游的管道上。
(1)孔板流量計(jì)的測(cè)溫測(cè)壓口位置
①質(zhì)量流量與各自變量的關(guān)系，除了前面所述的式(3.1)之外，也可用式(3.21)表達(dá)。

式中 ε2——節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體可膨脹性系數(shù)；
ρ2——節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體密度， kg/m3；
P2——節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體壓力， Pa。
假定流體為可壓縮性流體，而且在Pl、P2差別不大的情況下，流體符合理想氣體定律，這時(shí)將式(3.22)代入式(3.21)，就可得到式(3.1)，因此，式(3.21)和式(3.1)是等價(jià)的。
關(guān)于流體密度， GB/T 2624-2006在5.4.2條中規(guī)定，它可以直接測(cè)得，亦可根據(jù)差壓取壓口處的靜壓、(熱力學(xué))溫度和流體成分構(gòu)成相應(yīng)的狀態(tài)方程計(jì)算出來(lái)。5.4.3條中進(jìn)一步規(guī)定，允許一個(gè)取壓口同時(shí)連接差壓測(cè)量裝置和靜壓測(cè)量裝置，但要保證這種雙重連接不會(huì)導(dǎo)致差壓測(cè)量出現(xiàn)任何差錯(cuò)。
該標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε，都是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到的，因此在采用這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)和由此設(shè)計(jì)的節(jié)流裝置測(cè)量流量時(shí)，實(shí)際上是實(shí)驗(yàn)方法的"逆過(guò)程"。
至于將取壓口開在節(jié)流裝置前一定距離的管段上測(cè)得的壓力比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測(cè)得的壓力差多少，照理可以按伯努利方程、連續(xù)性方程和熱力學(xué)過(guò)程方程[4]計(jì)算出來(lái)，但具體計(jì)算時(shí)還有一些困難，而如果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，卻是不困難的。
②測(cè)溫問(wèn)題 流體溫度在一次裝置下游測(cè)量。溫度計(jì)套管所占空間應(yīng)盡可能小。如果套管位于下游，其與一次裝置之間的距離應(yīng)至少為5D。
一般可以假設(shè)差壓裝置上游和下游處的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想氣體，而又需要zui高的精確度，且上游取壓口和一次裝置下游測(cè)溫處又存在較大壓力損失，則假設(shè)兩點(diǎn)之間是等焓膨脹，必須根據(jù)下游溫度(距一次裝置5D~15D處測(cè)量)計(jì)算上游溫度。計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)一次裝置相應(yīng)地按照GB/T 2624計(jì)算壓力損失Δω，然后采用焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT計(jì)算上游取壓口到下游測(cè)溫處的相應(yīng)的溫度下降ΔT：

焦耳湯姆遜系數(shù)(Joule Thomson Coefficent)又稱等焓溫度-壓力系數(shù)( isenthalpictemperature-pressure coefficent)，等焓下相對(duì)于壓力的溫度變化速率：

或

式中 T——熱力學(xué)瘟度；
P——流經(jīng)管線的流體靜壓；
H——焓；
R——通用氣體常數(shù)；
Cm·p ——定壓摩爾熱容；
Z——壓縮系數(shù)。
(2)測(cè)植測(cè)壓口位置 是利用流體流過(guò)旋渦發(fā)生體時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)定旋渦，通過(guò)測(cè)量其旋渦產(chǎn)生頻率，得到體積流量。
實(shí)驗(yàn)指出，流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體不論是液體、氣體還是蒸氣，只要雷諾數(shù)ReD在2×104~7×106范圍內(nèi)，就能得到穩(wěn)定的流量系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)同時(shí)指出，旋渦產(chǎn)生的頻率反映了旋渦發(fā)生體處的流體平均流速，此流速與流通截面積的乘積即為體積流量。要將蒸汽的這種體積流量換算成質(zhì)量流量，*的是測(cè)量出旋渦發(fā)生體處的流體靜壓力。此處?kù)o壓力由于流體流速較高，比上游管道內(nèi)的流體壓力低一些。若在此處準(zhǔn)確地測(cè)量靜壓力，由于多種原因有一定困難，但在流量計(jì)下游一定距離的管道上，測(cè)量到能與發(fā)生體后面?zhèn)鞲衅魈幍撵o壓相等或接近的靜壓，則是一個(gè)可行的方法。橫河公司要求，這個(gè)合適的距離為3.5~ 7.5倍管道內(nèi)徑。E+H公司要求，這個(gè)合適的距離為從流量傳感器下游法蘭算起3.5倍管道內(nèi)徑。
若用上游壓力代替下游壓力會(huì)引入誤差，其估算方法如下例所述。
例如有一臺(tái)DY型旋渦流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量過(guò)熱蒸汽流量，從流量二次表可讀出
上游流體壓力 P1 =0.9MPa(表面值)
流體溫度 tf=250℃
瞬時(shí)流量顯示值 qm=3.0t/h
從溫度、壓力數(shù)據(jù)查表得到流體密度為p1=4.3060kg/m3(當(dāng)?shù)卮髿鈮阂設(shè).101325MPa計(jì))，進(jìn)一步計(jì)算得到此時(shí)體積流量為696. 7m3/h，從橫河公司說(shuō)明書中數(shù)據(jù)可計(jì)算得到管道中流體流速約為48.8m/s，按說(shuō)明書中提供儀表的壓力損失公式計(jì)算可得

令流量計(jì)上游管道內(nèi)的壓力與儀表下游3.5D~7.5D處的壓力相差即為儀表的壓力損失，則下游壓力為P1- ΔP，據(jù)此查得下游流體密度ρ2 =4.2554kg/m3，根據(jù)質(zhì)量流量與流體密度的關(guān)系，可計(jì)算由于壓力測(cè)點(diǎn)位置選擇不當(dāng)引入的誤差為

從上面的分析可清楚地看出，流速越高，由此引入的誤差越大。
7 飽和蒸汽應(yīng)采用何種補(bǔ)償
(1)查表法求取密度的*性 飽和蒸汽采用溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償，在本質(zhì)上是一樣的。其原因在于飽和狀態(tài)的蒸汽，其壓力和溫度之間呈單值函數(shù)關(guān)系，從蒸汽溫度查出的密度同與此溫度對(duì)應(yīng)的壓力查出的密度是*的。因此，采用溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償在原理上都是可行的。
(2)投資的差異 從節(jié)約投資和減少安裝工作量的角度考慮，因?yàn)橐恢сK熱電阻的價(jià)格只及壓力變送器的幾十分之一到幾分之一，所以采用溫度補(bǔ)償較經(jīng)濟(jì)。
(3)補(bǔ)償精確度的差異 采用溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償分別能得到多少補(bǔ)償精確度，不僅同溫度傳感器和壓力變送器的準(zhǔn)確度有關(guān)，而且同流量計(jì)類型、具體測(cè)量對(duì)象的工況和壓力變送器的量程選擇有關(guān)。總體來(lái)說(shuō)測(cè)溫對(duì)補(bǔ)償精確度影響較大，具體分析如下。
①測(cè)溫誤差對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響。溫度測(cè)量誤差同流量測(cè)量結(jié)果的關(guān)系，對(duì)于過(guò)熱蒸汽來(lái)說(shuō)影響并不大，例如溫度為250℃的過(guò)熱蒸汽，若測(cè)溫誤差為1℃，在作溫度補(bǔ)償時(shí)引起流量測(cè)量結(jié)果不確定度約為0.096%R(差壓式流量計(jì))到O.19%R()。影響較大的是溫度信號(hào)用于飽和蒸汽流量測(cè)量中的補(bǔ)償，例如壓力為0.7MPa的飽和蒸汽，其平衡溫度為170.5℃，對(duì)應(yīng)密度為4.132kg/m3，如果測(cè)溫誤差為-1℃，并據(jù)此查飽和蒸汽密度表，則查得密度為4.038kg/m3，引起流量測(cè)量誤差約為-1.14%R(差壓式流量計(jì))到-2.27%R()。
②溫度傳感器精確度等級(jí)的考慮。測(cè)溫誤差同溫度傳感器的精確度等級(jí)和被測(cè)溫度數(shù)值有關(guān)，例如壓力為0.7MPa的飽和蒸汽，用*專自熱電阻測(cè)溫，其誤差限為±O.49℃，如果用此測(cè)量結(jié)果查蒸汽密度表，以進(jìn)行補(bǔ)償，則流量補(bǔ)償不確定度約為±0.56%R(差壓式流量計(jì))到±1.ll%R()。而若用B級(jí)鉛熱電阻測(cè)溫，其誤差限就增為±1.15℃，則流量補(bǔ)償不確定度就增為±1.31%R(差壓式流量計(jì))到±2.61%R()。顯然，B級(jí)鉑熱電阻用于此類用途可能引起的誤差是可觀的，所以一般不宜采用。這里僅就不同精確度等級(jí)的測(cè)溫元件作相對(duì)比較。當(dāng)然，這里所說(shuō)的誤差還僅為測(cè)溫元件這一環(huán)節(jié)，至于流量測(cè)量系統(tǒng)的不確定度，還須計(jì)入流量二次表、流量傳感器、流量變送器等的影響。
③壓力變送器精確度等級(jí)、測(cè)壓誤差及其影響。壓力測(cè)量誤差同壓力變送器的精確度等級(jí)和量程有關(guān)，例如，選用O.2級(jí)精確度、O~lMPa測(cè)量范圍的壓力變送器測(cè)量0.7MPa飽和蒸汽壓力，其誤差限為±2kPa。如果用此結(jié)果查蒸汽密度表，以進(jìn)行補(bǔ)償，則此誤差限引起的流量補(bǔ)償不確定度約為±0.13%R(差壓式流量計(jì))到±0.25%R()。顯然，壓力補(bǔ)償能得到的補(bǔ)償精確度比溫度補(bǔ)償高。
(4)具體實(shí)施時(shí)的困難上面所述的兩種補(bǔ)償方法都是可行的這一觀點(diǎn)，僅僅是從原理上所作的討論，在具體實(shí)施時(shí)還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。
①安裝困難。如前面3.1. 6節(jié)中所述，用來(lái)測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量的差壓式流量計(jì)，若選擇溫度補(bǔ)償，常因測(cè)溫套管距節(jié)流件太近而對(duì)流動(dòng)狀態(tài)造成干擾或根本就無(wú)法安裝到理想部位而修改方案。
②由于相變而進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)。對(duì)于干飽和蒸汽，以較高的流速流過(guò)時(shí)，由于壓損引起的絕熱膨脹往往使蒸汽進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)，這時(shí)仍舊將它看作飽和蒸汽，并根據(jù)蒸汽溫度去查飽和蒸汽密度表，得到的數(shù)值明顯偏高。
由于上述種種原因，使得在測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量時(shí)，僅僅測(cè)量溫度，并據(jù)此查密度表，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量，在實(shí)踐中應(yīng)用的并不多。
 
8 液柱高度的影響及其消除
 
在蒸汽計(jì)量系統(tǒng)中，由于流體容易被壓縮，為了保證計(jì)量精確度，一般引入流體壓力補(bǔ)償(飽和蒸汽)或流體溫度壓力補(bǔ)償(過(guò)熱蒸汽)。那么，流體壓力就成為蒸汽計(jì)量的重要變量。在蒸汽壓力的測(cè)量中，由于引壓管內(nèi)冷凝水的重力作用會(huì)使壓力變送器測(cè)量到的壓力同蒸汽壓力之間出現(xiàn)一定的差值。
(1)引壓管中液柱高度對(duì)壓力測(cè)量的影響在壓力變送器安裝現(xiàn)場(chǎng)，為了維修的方便，壓力變送器安裝地點(diǎn)與取壓點(diǎn)往往不在同一高度，這樣，引壓管中的冷凝液就會(huì)對(duì)壓力測(cè)量帶來(lái)影響。圖3.12所示為4種常見(jiàn)的情況。其中， Ps為蒸汽壓力；P0變送器壓力輸入口處實(shí)際壓力； h為高度差， m； g為重力加速度， m/s2；ρw為冷凝液密度， kg/m3。
在圖3.12(b)中因變送器在取壓點(diǎn)下方，如果引壓管中充滿冷凝液，則變送器示值偏

高gpwh，在h=6m， g以9.80665m/S2計(jì)，pw以998.2kg/m3(假定液溫為20℃)計(jì)，對(duì)變送器的影響值為58.7kPa。圖3.12(c)因變送器在取壓點(diǎn)上方，如果引壓管充分排氣，引壓管中充滿冷凝液，則對(duì)變送器的影響值為-gpwh。而圖3.12(d)因引壓管中冷凝液高度難以確定，所以變送器輸出低多少也就難以確定，故不宜采用。
(2)測(cè)壓誤差對(duì)流量示值的影響 測(cè)壓誤差如果不予校正，對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)精確度一般都有影響。而影響程度不僅同流體的常用工況有關(guān)，而且同流量計(jì)的類型有關(guān)。
以上面所舉的例子為例，在流體常用壓力等于0.7MPa(表面值)，常用溫度等于250℃的工況條件下(即為過(guò)熱蒸汽)，壓力測(cè)量偏高58.7kPa，對(duì)于差壓式流量計(jì)將引入3.69% R的誤差，對(duì)于將引入7.52% R的誤差。
在流體的常用壓力等于0.7MPa的飽和蒸汽條件下，壓力測(cè)量偏高58.7kPa，對(duì)于差壓式流量計(jì)將引入3.42% R的誤差，對(duì)于將引入6.95 % R的誤差。
因此，引壓管中液柱高度對(duì)壓力測(cè)量影響必須予以校正。
(3)液柱高度影響的校正壓力變送器引壓管中冷凝液液柱高度對(duì)壓力測(cè)量的影響通常可用兩種方法校正，即在變送器中校正和在二次表中校正。
①在壓力變送器中校正。這種校正方法的實(shí)質(zhì)是對(duì)變送器的零點(diǎn)作遷移。在上面的例子中，如果變送器的測(cè)量泡圍為O~1.OMPa，零點(diǎn)作-58.7kPa遷移后其測(cè)量范圍就變?yōu)?58.7~941.3kPa。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，就是用于持終端將測(cè)量范圍設(shè)置為58.7~941.3kPa。對(duì)于非智能型變送器，就是變送器壓力輸入口通大氣的條件下，將輸出遷移到3.0608mA。
這種方法儀表人員往往不喜歡使用，因?yàn)橐獙?duì)變送器零點(diǎn)作遷移，需要對(duì)設(shè)計(jì)文件和設(shè)備卡片作相應(yīng)的修改，于續(xù)繁瑣。而且如果遷移量較大，對(duì)于非智能型變送器根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，相比之下，在二次表中作校正就成為受歡迎的方法。
②在二次表中校正。這里說(shuō)的二次表是廣義的，不僅包括普通的二次表，也包括DCS、智能調(diào)節(jié)器等，其校正方法是相同的。以FC 6000型智能流量演算器為例，對(duì)上面的情況作校正就是將菜單的第23條(測(cè)量起始點(diǎn))寫入58.7kPa(或 O.0587MPa)，而將第24條(測(cè)量滿度)寫入941.3kPa(或0.9413MPa)即可，因此省力、省時(shí)又準(zhǔn)確。
 
9 與節(jié)流式差壓流量計(jì)性能比較
 
(1)的優(yōu)點(diǎn)與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)。
①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、安裝維護(hù)方便。無(wú)需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等。
②精確度較高，一般為±(1~1.5)%R。
③測(cè)量范圍寬，合理確定口徑，范圍度可達(dá)20：1。
④壓損小，約為節(jié)流式差壓流量計(jì)的1/4~1/2。
⑤輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，無(wú)零點(diǎn)漂移。
⑥在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率不受流體物性(密度、黏度)和組成的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀、尺寸有關(guān)。
(2)的局限性
①對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所o
②口徑越大，分辨率越低，一般滿管式流量計(jì)用于DN400以下。
③流體溫度太高時(shí)，傳感器還有困難，一般流體溫度運(yùn)420℃。
④當(dāng)流體有壓力脈動(dòng)或流量脈動(dòng)時(shí)，示值大幅度偏高，影響較大，因此不適用于脈動(dòng)流。
(3)節(jié)流式差壓流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)
①節(jié)流式差壓流量計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡(jiǎn)單牢固，性能穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉。無(wú)需實(shí)流校準(zhǔn)就可使用，這在流量計(jì)中是少有的。
②適用范圍廣泛。既適用于全部單相流體，也可測(cè)量部分混相流，如氣固、氣液、固液等。
③高溫高壓大口徑和小流量均適用。
④對(duì)振動(dòng)不敏感，抗*力特別*。
(4)節(jié)流式差壓流量計(jì)局限性
①測(cè)量精確度在流量計(jì)中屬中等水平。由于眾多因素的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，精確度難以提高。
②范圍度窄，由于儀表信號(hào)(差壓)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅3：1~4：1。
③現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高，如需較長(zhǎng)的直管段(指孔板、噴嘴)，一般難以滿足。
④節(jié)流裝置與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞及凍結(jié)、信號(hào)失真等故障。
新發(fā)展起來(lái)的一體型節(jié)流式差壓流量計(jì)，雖然仍有引壓管線，但長(zhǎng)度不足1m，因而減小了這方面的缺陷。
⑤壓損大(指孔板、噴嘴)。
 
10 蒸汽相變對(duì)流量測(cè)量的影響
 
水蒸氣顧名思義是氣相，但在一定條件下會(huì)變成液相；飽和水蒸氣中的水滴本是液相，但在一定條件會(huì)被蒸發(fā)變成氣相。這是蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量中常常碰到的汽水相變。
在推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是蒸汽密度的求取，蒸汽相變發(fā)生后，就使得通常由蒸汽溫度壓力求取其密度的關(guān)系發(fā)生變化，因此必須認(rèn)真對(duì)待。
(1)氣相變液相過(guò)熱蒸汽在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送后，往往會(huì)因?yàn)闊崃繐p失、溫度降低，使其從過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，甚至部分蒸汽冷凝出現(xiàn)相變而變成水滴。這些水滴對(duì)流量測(cè)量結(jié)果究竟有多大影響，下面舉例說(shuō)明。
 
有一常用壓力為1.OMPa的過(guò)熱蒸汽，其流量為qm，假設(shè)經(jīng)長(zhǎng)距離輸送后有10%qm冷凝成水滴，令其為qml，而保持氣態(tài)的部分為qms，從定義知，此時(shí)濕蒸汽的干度為

由于采用溫壓補(bǔ)償，所以按照臨界飽和狀態(tài)查表，得到此時(shí)的蒸汽(干部分)密度為Ps=5.6808kg/m3，查水密度表知此時(shí)水滴的密度為ρL=882.47kg/m3，顯然水滴與蒸汽干部分的體積流量為

式中 qvl——水滴的體積流量， m3/s；
qvs——蒸汽干部分的體積流量， m3/s。
由定義知，蒸汽干部分體積流量占濕蒸汽總體積流量qv之比Rv為

因?yàn)?/span>

所以

在該例中， Rv=99.93%，由此可見(jiàn)，在濕蒸汽中，水滴所占的體積比可忽略不計(jì)。
①選用時(shí)濕度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。的輸出僅與流過(guò)測(cè)量管的流體流速成正比，在測(cè)量濕飽和蒸汽時(shí)，水滴對(duì)輸出的影響可忽略，故可認(rèn)為的輸出*是由濕蒸汽的干部分所引起。而干部分的密度，無(wú)論是壓力補(bǔ)償或溫度補(bǔ)償，都可較精確地查出。
蒸汽計(jì)量的結(jié)果往往作為供需雙方經(jīng)濟(jì)結(jié)算的依據(jù)，如果雙方約定按蒸汽干部分結(jié)算費(fèi)用，冷凝水不收費(fèi)，則在本例中相變對(duì)測(cè)量的影響微不足道，可以忽略。如果冷凝水也按照蒸汽一樣收費(fèi)，則的計(jì)量結(jié)果偏低值為1-X。
②選用孔板流量計(jì)時(shí)溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。從GB/T 2624-2006標(biāo)準(zhǔn)知，孔板流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量時(shí)有式(3.1)。
當(dāng)過(guò)熱蒸汽熱量損失而脫離過(guò)熱狀態(tài)后，只可能出現(xiàn)兩種情況。一種是進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)，另一種是進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)。如果進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)，從理論上講，流量計(jì)不會(huì)因此而增大誤差，因?yàn)樵谑?3.1)中，根據(jù)蒸汽壓力查出的ρl與實(shí)際密度是相符的。如果進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)，情況就復(fù)雜了。
-般認(rèn)為，蒸汽干度較高(X≥95%)時(shí)流體表現(xiàn)為均相流動(dòng)。溫壓補(bǔ)償可按通常方法進(jìn)行；但出現(xiàn)一定誤差。在式(3.1)中，ρ1是實(shí)際流體濕飽和蒸汽的密度，其值比臨界飽和狀態(tài)的大，而且干度越低密度越大。而人們根據(jù)壓力查出的是臨界飽和狀態(tài)的密度，比實(shí)際密度小，所以質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)誤差。在溫度不進(jìn)行測(cè)量的情況下，x是未知數(shù)，因此，測(cè)量結(jié)果偏低多少是個(gè)未知數(shù)。
在蒸汽干度較低(X≤95%)時(shí)，管道中的流體出現(xiàn)分層流動(dòng)，產(chǎn)生誤差更大。
(2)濕飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽濕飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽，一般發(fā)生在濕飽和蒸汽突然較大幅度減壓，流體出現(xiàn)絕熱膨脹時(shí)。
①相變過(guò)程。濕飽和蒸汽中的蒸汽和水滴，處于氣液相平衡狀態(tài)，在壓力突然降低而低于平衡壓力時(shí)，水滴部分蒸發(fā)，同時(shí)從液相和氣相中吸收汽化熱，使氣液相溫度降低。如果溫度降低得不多或蒸發(fā)前濕度較高，都會(huì)使溫度迅速降低到與新的壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，建立新的平衡。這時(shí)蒸汽仍為濕飽和蒸汽。如果壓力降低得很多或蒸發(fā)前濕度較低，則因水滴蒸發(fā)而使溫度降低后仍高于新的壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，則蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)。
②蒸發(fā)對(duì)流量測(cè)量的影響
a.上述蒸發(fā)發(fā)生后得到的兩種結(jié)果，前一種對(duì)補(bǔ)償無(wú)影響，僅僅是蒸汽中的干部分增加，干度相應(yīng)增大。
b.如果蒸發(fā)發(fā)生后，蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，而流量計(jì)又恰巧安裝在減壓之后的管道上。這時(shí)對(duì)流量計(jì)的影響分以下三種情況。
設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，或處于何種狀態(tài)難以確定，或有時(shí)是過(guò)熱狀態(tài)有時(shí)是飽和狀態(tài)，所以采用溫壓補(bǔ)償，則上述相變對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響。
設(shè)計(jì)時(shí)按飽和蒸汽考慮，而且采用壓力補(bǔ)償，則上述相變將帶來(lái)較小的誤差，即過(guò)熱蒸汽溫度同飽和溫度之差所對(duì)應(yīng)的密度差造成的補(bǔ)償誤差。
設(shè)計(jì)時(shí)按飽和蒸汽考慮，但采用溫度補(bǔ)償，則將過(guò)熱蒸汽溫度當(dāng)作飽和溫度去查密度表。一般會(huì)引起較大的誤差。
③舉例。有一化工廠，鍋爐房供飽和蒸汽，并根據(jù)各用戶中蒸汽壓力要求值z(mì)ui高的一個(gè)決定鍋爐供汽壓力為1.OMPa，多數(shù)用戶在蒸汽總管進(jìn)裝置時(shí)先經(jīng)減壓閥減壓。現(xiàn)從圖3.13所示的一個(gè)實(shí)例著手進(jìn)行分析。

用作進(jìn)入裝置蒸汽汁量的安裝在減壓(穩(wěn)壓)閥之后。原設(shè)計(jì)按飽和蒸汽考慮，采用溫度補(bǔ)償。經(jīng)減壓，蒸汽總管帶入的水滴蒸發(fā)完后汽溫仍高于飽和溫度，呈過(guò)熱狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)如圖所示。這時(shí)流量二次表按照所測(cè)量到的溫度t2=162.4℃查飽和蒸汽密度表，得ρ2=3.4528kg/m3，而按照t2和ρ2兩個(gè)測(cè)量值查過(guò)熱蒸汽密度表，得密度p'2=2.6897kg/m3，所以質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)28.37%的誤差，即

在本例中，如果采用壓力補(bǔ)償，則根據(jù)P2=0.42MPa的信號(hào)查飽和蒸汽密度表，應(yīng)得到P''2=2.7761kg/m3，則補(bǔ)償誤差為

④解決辦法
a.將總蒸汽流量計(jì)安裝在減壓閥之前。由于上述蒸汽未經(jīng)減壓時(shí)，確屬飽和蒸汽，所以，將流量計(jì)安裝在減壓閥之前，按飽和蒸汽補(bǔ)償方法處理，可保證測(cè)量精確度。
b.如果流量計(jì)只能安裝在減壓閥后面，則可增裝一臺(tái)壓力變送器，進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。 

訂貨須知：

用戶在定購(gòu)流量?jī)x表時(shí)要注意根據(jù)流體的公稱口徑、工作壓力、工作溫度、流量范圍、流體種類和環(huán)境條件選擇合適的規(guī)格。

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