气体体积流量测量中温度和压力修正的必要性

摘要:气体流量测量中,温度和压力修正是提高气体流量测量精度的重要手段之一。文中分别介绍温度和压力偏离设定值时对使用直接输出流量计和差压式流量计进行流量测量所带来的误差,并通过工程实例示出温度和压力在8种极端变化状况下产生的测量误差,以对温度和压力变化造成的误差提供一些量的概念。指出,如今实施温度和压力修正并不像以前单元组合仪表那样麻烦,应适当考虑修正。最后给出几点推荐性意见。

1 气体体积流量的含义

气体体积流量系指单位时间输送管道中流过的气体体积。气体体积有工作状态下体积和标准状态下体积之分,它们都是指在某个压力和某个温度情况下的体积,后者是指压力为一个标准大气压、温度为0℃(或20℃)时的气体体积。标准状态温度多数指0℃,仅在某些场合,例如鼓风机的流量,因多指风机的入口状态,所以标准状态温度采用的是20℃。由于使用工作状态流量参数时,需说明相应的工作温度和压力,这样比较麻烦,并且在人们的脑海中不容易建立一个量的概念,因此,在工程中常使用标准状态流量作为测量标准。

既然气体的体积流量是指标准温度和压力下的流量,那么,当介质温度和压力偏离设定状态时,仪表测量的示值就会产生变化。变化有多大,是否需要修正,这就是本文所探讨的问题。

2 温度压力变化对体积流量造成的误差

2.1 直接输出式流量计

所谓直接输出的流量计是指流量信号不用开方处理的流量计,例如涡街流量计、转子流量计等。

根据气体状态方程可知

式中,p,t,v分别为气体的压力、温度,以及在此温度下的体积;c为常数。

对于某确定被测对象,其管道直径确定后,式

(1)可改写为式(2)和式(3)

式中,q为体积流量;p1s,t1s,q1s,p1w,t1w,q1w分别为选择直接输出式流量计时计算和实际运行时其压力、温度和流量值。由此可得压力、温度偏离设定值p1s和t1s时造成的流量误差为

2.2 差压式流量计

采用节流装置测量流量时,视被测气体为不可压缩气体,其流量与节流装置两端的差压δp的关系为

式中,k为常数; r为随压力、温度变化的气体密度,并可用下式表达:

式中,rn为标准状态(压力为pn,温度为tn)下被测气体的密度。由式(5)和式(6)得到节流装置在设定压力、温度下和在某个工作压力、温度下的体积流量表达式为:

上述式中,p2s,t2s,q2s,p2w,t2w,q2w分别为选择差压式流量计时计算和实际运行时其压力、温度和流量值。

由式(7)和式(8)得到压力、温度偏离设定值时造成的误差为:

3 典型实例

下面给出几个温度和压力修正的实例,通过一些具体数据,说明实际使用中正确实施温度和压力修正的必要性。

例1,设定压力p1s=0. 35mpa(绝对压力),压力变化范围为0. 33~0. 37mpa。设定温度t1s=313k,温度变化范围为293~333k。被测介质为天然气,采用涡街流量计测量。

将8个极限压力、温度值,以及压力、温度的设定值代入式(4),得到其相应的误差δ1。表1列出了相应各参数的情况。

由表1可见,当温度增大、压力减小或温度降低、压力增大时,也就是第2、第3种情况时产生的误差最大。

例2,设定压力p2s=0. 109mpa(绝对压力),压力变化范围为0. 108~0. 110mpa。设定温度ts=313k,温度变化范围为293~333k。被测介质为高炉煤气,采用差压式流量计测量。

将8种极限压力、温度值,以及压力、温度的设定值代入式(9),便可以得到其相应的误差δ2。表2列出了相应各参数的情况。

由表2可见,温度不变,压力变化时,总体上造成的误差不大。

例3,设定压力p2s=0. 7mpa(绝对压力),压力变化范围0.3~0. 8mpa。设定温度t2s=313k,温度变化范围为293~333 k。被测介质为氮气,采用差压式流量计测量。

同样将8种极限压力、温度值,以及压力、温度的设定值代入式(9),得到其相应的误差δ2。表3列出了相应各参数的情况。

由表3可见,第3~5种情况造成的误差最大,这是因为这3种情况下的压力波动太大。

4 推荐意见

(1)由上面的典型例子可见,被测介质在实际运行中,由于压力、温度偏离设定值,所以会给流量的示值带来不同程度的误差。因此,作为计量用的能源介质流量测量,都应考虑温度和压力修正。

(2)对于不作为计量用的气体流量测量,如果已获得温度、压力信号,也应该考虑温度和压力修正。因为当今的二次仪表或作为二次仪表使用的各种计算机系统(dcs, plc, ipc等)都具有温度和压力修正功能,已无需像以前老式仪表那样搭接一个复杂的能满足功能要求的仪表硬件系统。

(3)对于常温、常压下的气体,也就是说,温度为30~40℃,压力为10 kpa左右的气体,不作为计量用,仅作工艺操作参考时,可以不考虑温度和压力修正,因为这种工况下(参见上面的例2),温度和压力的变化带来流量示值的误差不是很大。

(4)对于压力为0. 01 mpa以上的气体,不管流量测量的目的是什么,应尽量考虑温度和压力修正(如果是常温气体,可单独设压力修正,不设温度修正)。这是因为在这种情况下,压力的波动给流量测量示值带来的误差较大(参见例3)。钢铁厂中设备密封或吹扫用的氮气流量测量就属于这种情况。由于氮气来源往往不十分充足,一旦使用,氮气管道压力往往大幅度下降。尽管在这种工况下对流量测量的精度要求很低,但由于压力波动的影响太大,也应该考虑压力修正。