摘要：由于氣體具有可壓縮性，其物理性質(zhì)隨著溫度和壓力的變化而變化，給氣體的準(zhǔn)確計量帶來難度。所以氣體的流量測量普遍存在溫壓補(bǔ)償問題。本文重點介紹了氣體測量中不同儀表的溫壓補(bǔ)償方式，并分析了氣體測量中各種儀表的優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】：氣體測量 溫度補(bǔ)償 壓力補(bǔ)償

一、引言：

氣體流量常用氣體體積流量來表征。氣體體積流量是指單位時間內(nèi)流經(jīng)管道的氣體體積量。眾所周知，氣體體積是隨溫度和壓力的變化而變化的，所以氣體的體積流量隨工藝操作溫度和壓力的不同而不同。生產(chǎn)過程中，操作溫度及壓力常常發(fā)生變化，因而不同操作狀態(tài)下的體積流量大小沒有可比性。為此，實際生產(chǎn)過程中，常用設(shè)計工況下的體積流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)狀態(tài)）下的體積流量來表征。所謂氣體流量測量的溫度及壓力補(bǔ)償，其作用之一就是將操作狀態(tài)下的體積流量換算成設(shè)計狀態(tài)或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積流量。由于流量計是按設(shè)計狀態(tài)工藝條件進(jìn)行設(shè)計制造或標(biāo)定的，因此當(dāng)操作工況偏離設(shè)計工況時，流量測量將產(chǎn)生偏差。氣體體積流量的溫度和壓力補(bǔ)償?shù)牧硪粋€作用，就是修正由于流量計工作條件偏離設(shè)計工藝條件所帶來的測量誤差。

就是由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測量比液體復(fù)雜。氣體流量計量與被測氣體的密度密切相關(guān)，而氣體的密度又和溫度、壓力相關(guān)。所以，氣體的流量測量必須經(jīng)過溫壓補(bǔ)償，才能準(zhǔn)確的反應(yīng)被測氣體的流量數(shù)值。大部分氣體，可近似地視為理想氣體，其密度可用理想氣體狀態(tài)方程來表示。有的氣體，如水蒸氣，有別于理想氣體，其密度不宜簡單地用理想氣體狀態(tài)方程來表示。

目前，氣體的測量主流儀表有孔板和渦街，貿(mào)易計量采用質(zhì)量流量計。質(zhì)量流量計計量準(zhǔn)確，不存在溫壓補(bǔ)償問題，但價格昂貴，在氣體測量中使用不多。本文主要介紹孔板和渦街的溫壓補(bǔ)償。

二、孔板測量理想氣體的溫壓補(bǔ)償

2.1理想氣體方程

理想氣體狀態(tài)方程（又稱理想氣體定律、普適氣體定律）是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時，壓強(qiáng)、體積、物質(zhì)的量、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。它建立在玻意耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等經(jīng)驗定律上.

pV=nRT

若取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（P0=1.01325*105、T0=273.15K）下的1摩爾(mol)理想氣體，由阿伏伽德羅(Avogadro)定律知，氣體的摩爾體積為22.4L/mol。因而，此時常數(shù)C取特定值，用R表示

R值稱為普適氣體常量(universalgasconstant)。

2.2理想氣體溫壓補(bǔ)償公式推導(dǎo)

流量節(jié)流裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624-93中對標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下差壓氣體流量計的示值修正，在氣體溫度和壓力改變時給出了氣體體積流量計量的補(bǔ)正公式：

式中，qv為氣體體積流量；p為氣體壓力；T為氣體溫度，Z為氣體壓縮系數(shù)；ε為流束膨脹系數(shù)。

2.3孔板測氣體溫壓補(bǔ)償公式的推導(dǎo)

被測介質(zhì)的工作狀態(tài)（溫度、壓力、粘度）參數(shù)和設(shè)計值有所變化時，測量值和實際流量就存在誤差。因此，必須對流量進(jìn)行在線修正，才能反應(yīng)出真實的流量來。即同一質(zhì)量的氣體，在不同的壓力和溫度下體積是不同的，所以計算氣體時都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度t=0℃，壓力P=101.33KPaabs時的體積狀態(tài)下來計算。在計算孔板時，操作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積換算公式為：

Q為操作狀態(tài)下的的體積流量；

Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量

T為操作溫度

T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度

P為操作壓力

P0為標(biāo)準(zhǔn)壓力

Z為壓縮系數(shù)，5MPa以下氣體近似為1，所以一般可以忽略。

操作狀態(tài)下的氣體密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度換算公式為：

ρ為操作狀態(tài)下的氣體密度

ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度

孔板的計算公式為：

K為流量系數(shù)

Δp為差壓

最終導(dǎo)出公為：

特別要注意：

公式中T設(shè)和P設(shè)都是標(biāo)況下的溫度和壓力。T測和P測是工況下的溫度和壓力。

可見，當(dāng)氣體的實際工況與設(shè)計工況相同時，流量計的示值與實際值相符（僅與差壓有關(guān)），當(dāng)實際工況偏離設(shè)計工況時，實際流量還會隨著溫度、壓力的變化而變化。例如，壓力變化25％，流量就會相差50％，可見誤差極大。因此，氣體流量測量必須進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。

以下舉例對蒸汽流量測量溫壓補(bǔ)償進(jìn)行說明例：蒸氣流量，設(shè)計壓力p0=0.6MPa，設(shè)計溫度T0=240℃，當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化：即實際壓力p1=0.65MPa，實際溫度T1=250℃時，假設(shè)未經(jīng)溫壓補(bǔ)償時其顯示的流量為5t/h，那么經(jīng)溫壓補(bǔ)償后其流量：

Q=5*SQRT{（273.15+240）*（0.65+0.1）/(273.15+250)*(0.6+0.1)}

計算得出：Q=5.25t/h

其相對誤差Δ=4.8%，可見誤差較大。因此在實際生產(chǎn)中，當(dāng)要計量的蒸汽流量受溫度、壓力的影響很大時，其體積流量的計量必須進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。而通常解決的方法是采用分離式補(bǔ)償，即為測量系統(tǒng)增設(shè)溫度傳感器和壓力傳感器，在二次表或DCS中通過溫壓補(bǔ)償，從而計算出實際溫度、壓力下的流量，大大提高了計量的準(zhǔn)確性。

2.4孔板流量計安裝

孔板流量計的正確安裝是儀表能夠準(zhǔn)確計量的前提，節(jié)流裝置安裝時要注意節(jié)流件開孔必須與管道同軸，節(jié)流件方向不能裝反。管道內(nèi)部不得有突出物?？装辶髁坑嫳仨氁凶銐虻那昂笾惫芏?，前后直管段內(nèi)不能有溫度等測量元件或開設(shè)其他測壓口，測量氣體時，取壓口要在管道上部，為了防止氣體中出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，引壓管線要始終保持一個朝上的角度。如果是蒸汽測量，取壓口最好是90°平行引出，經(jīng)過冷凝灌后垂直朝下。

三、渦街流量儀表的溫壓補(bǔ)償

3.1渦街流量計介紹

渦街流量計的測量原理不同于孔板，各有特色。某些說明書特別指出，本流量計不受密度影響。有些用戶可能認(rèn)為，采用此類流量計不用進(jìn)行溫壓補(bǔ)償了。其實不然，使用此類流量計測量氣體，同樣存在溫壓補(bǔ)償問題。例如渦街流量計，通過檢測渦街頻率f，根據(jù)f與流速v成正比而求得氣體的體積流量。其f與v的關(guān)系式為：

式中：d為漩渦發(fā)生體迎著流向的寬度；D為管道內(nèi)徑；Sr為斯特勞哈爾常數(shù)。

從公式本身看，流體的體積流量與密度無關(guān)。但渦街流量計所檢測到的體積流量是工作狀態(tài)下的流量q。而儀表的標(biāo)尺是應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量為刻度的。它們之間的換算關(guān)系式就是前面推得的式為：

由此可見，雖然原理表達(dá)式中流量與密度無關(guān)，但是刻度的換算公式中卻含有密度。因此，用此類儀表進(jìn)行氣體流量測量時，同樣存在溫壓補(bǔ)償問題，只是補(bǔ)償公式不同而已。否則，儀表的示值就不能反映真實流量，其誤差也是很大的。

3.2渦街流量計測量公式推導(dǎo)

根據(jù)公式:

可見，渦街流量計的刻度值和密度相關(guān)。

根據(jù)氣體方程：PV=nRT

nR=PV/T

對于理想氣體n和R是恒定的值

所以：

進(jìn)而推得：

式中P工是工況下測量的壓力，如果氣體測量的測量變送器輸出是表壓，則需要在測量結(jié)果的基礎(chǔ)上加標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013*105帕，V工為工況下的體積流量，一般單位為M3/h，T標(biāo)為標(biāo)況下的溫度，一般0℃(273.15K)，T工為工況下的測量溫度，一般是測量值加273.15，單位為K，P標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013*105帕。

工業(yè)測量是一般使用簡化公式：

標(biāo)況流量=k*工況流量*P*273.15/(t+273.15)

式中k壓縮系數(shù)，5MPa以下氣體近似=1

P為絕對壓力，單位公斤力每平方厘米

從公式中可以看出，溫度變化1℃影響只有近300分之一，因此溫度變化影響比較小，一般有些計量可以粗略的簡化為：

標(biāo)況流量=工況流量*（壓力+1）

所以渦街流量計在測量時，一般工況流量除以氣體絕對壓力，就可以估算出標(biāo)況下的流量來。

3.3渦街溫壓固態(tài)補(bǔ)償

渦街流量計一般很少有自帶溫度和壓力傳感器，實現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)摹５菧u街流量計一般都有補(bǔ)償模塊，可以把操作壓力和操作溫度輸入儀表內(nèi)部，儀表通過計算，輸出標(biāo)立流量。但是這種補(bǔ)償是固態(tài)的，如果壓力和溫度不穩(wěn)定或者輸入數(shù)值有誤差，就會造成儀表輸出的偏差。儀表出廠時，一般都是按照設(shè)計溫度和壓力輸入數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)很難保證和實際操作數(shù)據(jù)相同。所有，一般不推薦使用這種補(bǔ)償方式。

3.4渦街動態(tài)溫壓補(bǔ)償

動態(tài)補(bǔ)償就是在渦街流量計的前后安裝壓力和溫度傳感器，實時的測量傳送被測介質(zhì)的壓力和溫度值，并把這個值送到DCS或者PLC中，通過和渦街流量計采集來的數(shù)值換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值來。成熟的DCS和PLC基本都有溫壓補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)模塊，直接輸入溫度和壓力數(shù)值即可，而不用再去寫補(bǔ)償計算公式。但是特別要注意的是，大部分控制系統(tǒng)的補(bǔ)償模塊是對應(yīng)孔板的，是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624-93對孔板的補(bǔ)償公式，而非渦街補(bǔ)償公式。渦街的補(bǔ)償和孔板是完全不一樣的，必須在系統(tǒng)中重新計算。在儀表組態(tài)時，儀表輸出選擇工況模式，輸出為立方，儀表量程和DCS量程要對應(yīng)，DCS量程也需要寫為立方。DCS接收的數(shù)據(jù)，再次經(jīng)過

標(biāo)況流量=k*工況流量*P*273.15/(t+273.15)

補(bǔ)償公式計算，輸出數(shù)值才是真實的標(biāo)況值。

3.5渦街流量計的正確安裝

渦街流量計的準(zhǔn)確測量和正確安裝是密不可分的，在安裝時一定要按照SH/T3521-2007規(guī)范來安裝。只有在正確的安裝下和滿足測量的工藝條件下，才能保證準(zhǔn)確的計量。下圖為施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)推薦的溫壓補(bǔ)償安裝方案。首先確保渦街流量計前后的直管斷；其次壓力傳感器要在渦街之前，溫度傳感器在渦街滯后，確保渦街流量計前后的直管段；再次，渦街流量計周圍不能有震動和電磁干擾。

渦街流量計是近幾年流行的測量儀表，安裝方便、價格適中、測量準(zhǔn)確。大量的用于氣體測量中，正確的安裝和溫度補(bǔ)償對測量非常重要。

四、結(jié)束語

氣體流量測量普遍存在溫壓補(bǔ)償問題，這是由氣體的特性所確定了的。因此，在氣體流量測量系統(tǒng)中，溫壓補(bǔ)償是其中一個不可缺少的環(huán)節(jié)。若缺少這一環(huán)節(jié)，或不給于應(yīng)有的重視，就會給測量帶來誤差甚至錯誤。

五、參考文獻(xiàn)

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作者介紹：

何龍：男，1978年9月出生，自控工程師，就職于中國石化濟(jì)南分公司，從事技術(shù)管理工作。曾在北大核心期刊發(fā)表論文3篇，國家一級期刊發(fā)表論文4篇。