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幾種常見(jiàn)的流量測量補償在DCS中的實(shí)現
摘 要：水蒸汽和空氣是工業(yè)現場(chǎng)中常用的物料，常用流量測量計必須設置物料的溫度和壓力，然而溫度和壓力會(huì )發(fā)生變化，所以無(wú)法在設計階段精確定義溫度和壓力，必需在流量計測量后進(jìn)行補償。介紹了幾種常見(jiàn)的流量測量補償方法在DCS中的應用。
關(guān)鍵字：水蒸汽 空氣 流量測量 補償
在工業(yè)控制過(guò)程中，流量測量的精度直接影響著(zhù)現場(chǎng)工藝。液體和氣體在溫度發(fā)生改變時(shí)，其密度會(huì )發(fā)生變化。而現場(chǎng)流量計總是按照設計的溫度和壓力進(jìn)行測量的，也就是說(shuō)，其測量出來(lái)的信號是基于設計的溫度和壓力。當溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)，這時(shí)所測量值并不是其真正的值，需要通過(guò)溫壓補償對流量進(jìn)行修正。本文介紹了幾種典型的流量補償方式，并以過(guò)熱蒸汽為例，介紹了在ECS－100系統中的實(shí)現方法。
1 水蒸汽
水蒸汽可分為過(guò)飽和蒸汽、飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。其中過(guò)飽和是一個(gè)非穩定狀態(tài)，它最終會(huì )使得一部分氣體凝結為液體，從而又進(jìn)入了飽和狀態(tài)。在這里我們只討論飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽的測量補償。
1.1 節流式差壓流量計
節流式差壓流量計的計量公式為：
（1）
其中：qm－質(zhì)量流量，kg/s；
C－流出系數；
ε1－節流件正端取壓口平面上的可膨脹系數；
d－工作條件下節流件的開(kāi)孔直徑，m；
△p－差壓，Pa；
ρ1－節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－管道內徑，m。
D和β為常數，而C和ε1在一定的流量范圍內可近似為常數，令：
（2）
則：
（3）
若采用節流式差壓流量計測量一蒸汽，其設計密度為ρD，而實(shí)際工況下的密度為ρW，儀表指示的流量為qmD，那么實(shí)際流量應為：
（4）
對于過(guò)熱蒸汽，其密度取決于溫度和壓力。而對于飽和蒸汽，其溫度和壓力是單值函數，從蒸汽溫度查出的密度與此溫度所對應的壓力查出的密度是一致的，可以采用溫度補償或壓力補償。
有時(shí)候DCS或二次儀表中所得到的為差壓信號（△q），需要將其開(kāi)平方后才是流量值。在這種情況下，其補償公式為：
（5）
1.2 渦街流量計
渦街流量計是體積流量計，即流體雷諾數在一定的范圍內，其輸出與體積流量成正比。頻率輸出渦街流量計測量質(zhì)量流量的表達式為：
（6）
其中：qm－質(zhì)量流量，kg/h；
f－渦街流量計輸出頻率，P/s；
Kt－工作狀態(tài)下的流量系數，P/L；
ρf－流體密度，kg/m3。
若采用渦街流量計測量蒸汽，其設計密度為ρD，而實(shí)際工況下的密度為ρW，儀表指示的流量為qmD，那么實(shí)際流量qmW應為：
（7）
注意：渦街流量計的溫壓補償方式也適用于那些流量與密度成線(xiàn)性關(guān)系的流量計如線(xiàn)性孔板等。
2 空氣的測量
在現場(chǎng)實(shí)際使用的空氣流量計最主要的有玻璃浮子流量計、節流式差壓流量計、渦街流量計。
對于理想氣體其遵循理想氣體方程：
（8）
而：
（9）
（10）
對于一定質(zhì)量的氣體可得：
（11）
2.1 玻璃浮子流量計
浮子流量計的基本方程為：
（12）
其中：
α－儀表的流量系數；
ε－氣體膨脹系數；
△F－流通環(huán)形面積；
g－當地重力加速度；
Gf－浮子質(zhì)量；
Vf－浮子體積；
ρ－被測流體密度；
Ff－浮子工作直徑處的橫截面積。
而α、△F、g、Gf、Ff為常數，ε的校正量很小，可近似為常數。當氣體的溫度和壓力發(fā)生改變時(shí)，Gf－Vfρ所引入的精度誤差相對于ρFf要小的多，為了簡(jiǎn)化運算，可將Vfρ近似為常數。所以浮子流量計的基本方程可近似為：
（13）
其溫壓補償公式為：
（14）
其中：
qv－實(shí)際體積流量；
qvf－儀表測量值；
ρn－被測氣體在標準狀態(tài)下的密度；
ρan－空氣在標準狀態(tài)下的密度；
Tn、Pn－氣體（空氣）在標準狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力；
Tf、Pf－氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力。
如果被測氣體近似等于空氣，那么上式可近似等于：
（15）
2.2 節流式差壓流量計
由式（3）可得：
（16）
由式（16）可知，差壓流量計的溫壓補償方法與玻璃浮子流量計的方式一樣，參照式（14）。當差壓流量計送上的信號為差壓信號時(shí)，那么其補償方式為：
（17）
其中：
qv－實(shí)際體積流量；
△Pvf－儀表測量差壓值；
ρn－被測氣體在標準狀態(tài)下的密度；
ρan－空氣在標準狀態(tài)下的密度；
Tn、Pn－氣體（空氣）在標準狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力；
Tf、Pf－氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力。
如果被測氣體近似等于空氣，那么上式可近似等于：
（18）
2.3 渦街流量計
用渦街流量計測量體積流量時(shí)，與密度無(wú)關(guān)，但是氣體的流量是用標準狀態(tài)來(lái)表達的。由式（8）可得：
（19）
其中：
qv－實(shí)際體積流量；
qvf－儀表測量值；
Tn、Pn－氣體（空氣）在標準狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力；
Tf、Pf－氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力。
3 DCS中的實(shí)現
3.1 渦街流量計
有一渦街流量計測量過(guò)熱蒸汽流量，過(guò)熱蒸汽的設計壓力為4MPa（表壓），設計溫度為400℃；過(guò)熱蒸汽的實(shí)測壓力為PI-101：0～6MPa（表壓），實(shí)測溫度為T(mén)I-101：0～600℃，流量為FI-101，補償后的流量為自定義半浮點(diǎn)數FI＿101，計算方法如下：
1）經(jīng)過(guò)熱蒸汽計算器得出設計比容為71.849001488cm3/g；
2）采用COMPENSATE模塊
圖1 過(guò)熱蒸汽溫壓補償1
3.2 孔板流量計1（變送器無(wú)開(kāi)方處理）
有一孔板流量計測量過(guò)熱蒸汽流量，過(guò)熱蒸汽的設計壓力為4MPa（表壓），設計溫度為400℃；過(guò)熱蒸汽的實(shí)測壓力為PI－101：0～6MPa（表壓），實(shí)測溫度為T(mén)I－101：0～600℃，流量為FI－101（未在變送器上進(jìn)行開(kāi)方處理），補償后的流量為自定義半浮點(diǎn)數FI＿101，計算方法如下：
1）經(jīng)過(guò)熱蒸汽計算器得出設計比容為71.849001488cm3/g，密度為13.93kg/m3；
2）采用COMPENSATE模塊。
圖2 過(guò)熱蒸汽溫壓補償2
3.3 孔板流量計2（變送器有開(kāi)方處理）
有一孔板流量計測量過(guò)熱蒸汽流量，過(guò)熱蒸汽的設計壓力為4MPa（表壓），設計溫度為400℃；過(guò)熱蒸汽的實(shí)測壓力為PI－101：0～6MPa（表壓），實(shí)測溫度為T(mén)I-101：0～600℃，流量為FI-101（已在變送器上進(jìn)行開(kāi)方處理），補償后的流量為自定義半浮點(diǎn)數FI＿101，計算方法如下：
圖3 過(guò)熱蒸汽溫壓補償3
1）經(jīng)過(guò)熱蒸汽計算器得出設計比容為71.849001488cm3/g；
2）采用COMPENSATE模塊。
4 結束語(yǔ)
通過(guò)對水蒸汽和理想氣體進(jìn)行密度補償，能夠充分修正流量，提高流量測量精度，以提高控制精度。SUPCONECS－100系統中，集成了豐富的算法模塊，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)流量補償的需求。采用ECS－100系統進(jìn)行流量補償，在多個(gè)工業(yè)現場(chǎng)取得較好的補償效果。
