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双量程差压式流量计实现全量程高精度测量
作者:admin  来源:本站  发表时间:2012-03-08 18:18:16 点击:1853

 

    1 前言

    流量计的量程比,对于各种流量计都是指最大流量和最小流量之比,即量程比为3∶1~3.5∶1左右。当量程比扩大了,就很难保证该仪表选型样本所保证的仪表精度。但现场实际情况却往往存在量程比为10∶1,特别当该流量计又用于计量用途时更需要精确。双量程差压式流量计从理论到实际解决了这一个长期困扰的问题。

    2 原理

    现在,差压式流量计在流量测量中使用得仍然很普遍。这是因为这种流量计具有稳定性佳,耐振性好,抗干扰能力强,使用和检定方便等优点,但其相对流量较小时,测量精度低,甚至进入小流量信号切除,使供方利益受损。

    节流式差压流量计的一般表达式[1]:

流量计信息网内容图片  (1)   

    式中:qm—质量流量,kg/s;

    C——流出系数;

    ε1—可膨胀性系数;

    β—直径比,β=d/D;

    d—工作条件下节流件的孔径,m;

    D—工作调节下上游管道内径,m;

    Δp—差压,Pa;

    ρ1—上游流体密度,kg/m3

    由上式可见,流量为C、ε、d、Δp、ρ、β(D)6个参数的函数,而当统计量C和ε近似为常数,并将实测量d、Δp、ρ、β(D)在制造安装时测量后,得到以下关系式:

    流量计信息网内容图片  (2)

    式中:qm—质量流量,kg/h;

    Δp—差压,Pa。

    这一关系式如果用图1表示,则更为明了、形象。

流量计信息网内容图片

图1 qm=f(ΔP)曲线

    从公式和曲线可看出,在流量较大时,节流装置送出的差压信号幅值较大,所以可测量得较准,但流量较小时,节流装置送出的差压信号幅值很小,例如:在10%FS流量时,差压信号只有满量程的1%。差压式流量计测量如此小的流量,精度就较低。

    解决这一问题的方法是用大小两杆秤,在流量大的时候用大秤,在流量小的时候用小秤。双量程差压式流量计就是根据这一原理设计的。所谓双量程差压流量计即指一个节流装置采用两台差压变送器。

    使用双量程差压式流量计的检测装置可用标准孔板、多孔孔板(A+K平衡流量计)等一个双量程节流一次元件,采用两台差压变送器。其中一台差压变送器测量上限较高,另一台差压变送器测量上限很小,一般只有3kPa或更小,两路信号同时送入智能化二次仪表,进行计算、判断和自动切换,得到流量值,从而将大流量和小流量都计算得很准。

    3 问题

    要实现双量程差压流量测量还需解决以下问题:

    3.1 雷诺数(ReD)补偿

    由雷诺数的表达式可知[2],管道内流动流体的雷诺数与流体的流量成正比。

    流量计信息网内容图片   (3)

    式中:ReD—与D有关的雷诺数;

    qm—质量流量,kg/s;

    μ—流体的动力粘度,Pa·s;

    D—管道内径,m。

    所以,流体流量在广阔的范围内变化时,雷诺数也在较大的范围内变化。而差压式流量计的流出系数又是雷诺数的函数,因此,需对流出系数进行在线补偿,才能保证全量程的测量精确度。

    以GB2624-2006中的表达式为例进行分析[2]。式(4)所示为标准孔板(角接取压)流出系数C表达式。     

    流量计信息网内容图片  (4)

    式中:C—流出系数;

    β—直径比;

    ReD—与D有关的雷诺数。

    式(6)所示的关系如果用图表示,更加直观和形象[3](见图2)。    

流量计信息网内容图片

图2 典型标准孔板流出系数随雷诺数变化曲线(β=0.6)

    在图2中,随着雷诺数ReD的减小,流出系数C逐渐增大。在双量程差压流量计的低量程段,往往就处于曲线的迅速升高段,如果不进行补偿,必将导致流量示值明显偏低。

    3.2 可膨胀性系数(ε)校正

    可膨胀性系数的表达式仍以GB2624-2006为例。式(5)所示为标准孔板表达式。 

    流量计信息网内容图片    (5)

    式中:ε1—可膨胀性系数;

     ΔP—差压,Pa;

     P1—节流件正端取压口流体静压力,Pa(A);

     κ—等熵指数。

    在双量程差压式流量计中,流体流量在广阔的范围内变化,相应的差压信号变化幅度更大。例如:流量变化20倍,相应的差压变化就达到400倍,这种变化引起ε1值的变化很可观,对其进行在线校正,意义比C的补偿更大。

    4 应用

    据上海同欣自动化仪表公司(原上海宝科自动化仪表研究所)的FDId型仪表针对以上问题做出两项改进:

    其一:引入了雷诺数(ReD)补偿。

    其二:进行了可膨胀系数(ε)校正。

    从而在实际流量偏离常用流量时,能获得与常用流量时相当的系统精度。同时该仪表采用一体化结构,从而消除差压信号在长距离传递中所存在的失真。

    同欣公司承诺,这种流量计用来测量蒸汽流量时,能达到下列指标:

    量程比:30:1;

    系统精确度:±1.5%;

    可测范围:1~100%;

    保证精度范围:3~100%;

    流体温度:≤560℃;

    流体压力:≤6.4MPa;

    全量程温度、压力补偿。

    根据同欣公司介绍,这种仪表已在天津石化、上海高桥石化、张家港恒通热电、张家港永兴热电、宁波热电、上海焦化、山东渤海实业等十多个单位投入正常运行。

流量计信息网内容图片

图3 FDId500双量程流量计在某石化厂实际运行曲线    

    图3所示图例是一台FDId500(DN500)双量程流量计在某石化厂的实际运行曲线。数据采集历史曲线图中的1、2、3、4四根曲线,分别是蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽密度和蒸汽质量流量。其中,质量流量测量上限为100t/h(对应差压100kPa),在读数线所对应的时刻,质量流量读数为0.93t/h,这时,低量程差压变送器(带开平方)输出电流约为4.86mA。从而将原本已进入小信号切除区域的流量予以可靠显示。

    5 小结

    双量程差压流量计已应用于多个领域,并在实际应用中产生理想的效果。鉴于双量程差压流量计技术的不断发展与改进,经济准确地实现大量程比的测量已不是难事。

    参考文献:

    [1] ISO5167-2(2003E)Measurementoffluidbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircular-corsssectionconduitsrunningfull-part2:orificePlates.
    [2] GB2624-2006流量测量节流装置.用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量.
    [3] 王建忠,纪纲.差压式流量计范围度问题的研究[J].自动化仪表2005(8):4~6,9.

 

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