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(jì)量帶來(lái)難度。所以氣體的流量測(cè)量普遍存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)題。本文重點(diǎn)介紹了氣體測(cè)量中不同儀表的溫壓補(bǔ)償方式，并分析了氣體測(cè)量中各種儀表的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】：氣體測(cè)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(lái)表征。氣體體積流量是指單位時(shí)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(guò)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(méi)有可比性。為此，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常用設(shè)計(jì)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(lái)表征。所謂氣體流量測(cè)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(jì)狀態(tài)或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積流量。由于流量計(jì)是按設(shè)計(jì)狀態(tài)工藝條件進(jìn)行設(shè)計(jì)制造或標(biāo)定的，因此當(dāng)操作工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，流量測(cè)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€(gè)作用，就是修正由于流量計(jì)工作條件偏離設(shè)計(jì)工藝條件所帶來(lái)的測(cè)量誤差。

就是由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測(cè)量比液體復(fù)雜。氣體流量計(jì)量與被測(cè)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(cè)量必須經(jīng)過(guò)溫壓補(bǔ)償，才能準(zhǔn)確的反應(yīng)被測(cè)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(lái)表示。有的氣體，如水蒸氣，有別于理想氣體，其密度不宜簡(jiǎn)單地用理想氣體狀態(tài)方程來(lái)表示。

目前，氣體的測(cè)量主流儀表有孔板和渦街，貿(mào)易計(jì)量采用質(zhì)量流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確，不存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)題，但價(jià)格昂貴，在氣體測(cè)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(cè)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(shí)，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(yàn)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(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624-93中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下差壓氣體流量計(jì)的示值修正，在氣體溫度和壓力改變時(shí)給出了氣體體積流量計(jì)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(cè)氣體溫壓補(bǔ)償公式的推導(dǎo)

被測(cè)介質(zhì)的工作狀態(tài)（溫度、壓力、粘度）參數(shù)和設(shè)計(jì)值有所變化時(shí)，測(cè)量值和實(shí)際流量就存在誤差。因此，必須對(duì)流量進(jìn)行在線修正，才能反應(yīng)出真實(shí)的流量來(lái)。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(jì)算氣體時(shí)都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度t=0℃，壓力P=101.33KPaabs時(shí)的體積狀態(tài)下來(lái)計(jì)算。在計(jì)算孔板時(shí)，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(jì)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(cè)和P測(cè)是工況下的溫度和壓力。

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

以下舉例對(duì)蒸汽流量測(cè)量溫壓補(bǔ)償進(jìn)行說(shuō)明例：蒸氣流量，設(shè)計(jì)壓力p0=0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度T0=240℃，當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化：即實(shí)際壓力p1=0.65MPa，實(shí)際溫度T1=250℃時(shí)，假設(shè)未經(jīng)溫壓補(bǔ)償時(shí)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(jì)算得出：Q=5.25t/h

其相對(duì)誤差Δ=4.8%，可見(jiàn)誤差較大。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)要計(jì)量的蒸汽流量受溫度、壓力的影響很大時(shí)，其體積流量的計(jì)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(cè)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(guò)溫壓補(bǔ)償，從而計(jì)算出實(shí)際溫度、壓力下的流量，大大提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2.4孔板流量計(jì)安裝

孔板流量計(jì)的正確安裝是儀表能夠準(zhǔn)確計(jì)量的前提，節(jié)流裝置安裝時(shí)要注意節(jié)流件開(kāi)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?jì)必須要有足夠的前后直管段，前后直管段內(nèi)不能有溫度等測(cè)量元件或開(kāi)設(shè)其他測(cè)壓口，測(cè)量氣體時(shí)，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(gè)朝上的角度。如果是蒸汽測(cè)量，取壓口最好是90°平行引出，經(jīng)過(guò)冷凝灌后垂直朝下。

三、渦街流量?jī)x表的溫壓補(bǔ)償

3.1渦街流量計(jì)介紹

渦街流量計(jì)的測(cè)量原理不同于孔板，各有特色。某些說(shuō)明書(shū)特別指出，本流量計(jì)不受密度影響。有些用戶可能認(rèn)為，采用此類流量計(jì)不用進(jìn)行溫壓補(bǔ)償了。其實(shí)不然，使用此類流量計(jì)測(cè)量氣體，同樣存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)題。例如渦街流量計(jì)，通過(guò)檢測(cè)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(wú)關(guān)。但渦街流量計(jì)所檢測(cè)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(jiàn)，雖然原理表達(dá)式中流量與密度無(wú)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(cè)量時(shí)，同樣存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)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(shí)流量，其誤差也是很大的。

3.2渦街流量計(jì)測(cè)量公式推導(dǎo)

根據(jù)公式:

可見(jiàn)，渦街流量計(jì)的刻度值和密度相關(guān)。

根據(jù)氣體方程：PV=nRT

nR=PV/T

對(duì)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(cè)量的壓力，如果氣體測(cè)量的測(cè)量變送器輸出是表壓，則需要在測(cè)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(cè)量溫度，一般是測(cè)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(cè)量是一般使用簡(jiǎn)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(duì)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(jì)量可以粗略的簡(jiǎn)化為：

標(biāo)況流量=工況流量*（壓力+1）

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

3.3渦街溫壓固態(tài)補(bǔ)償

渦街流量計(jì)一般很少有自帶溫度和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)?。但是渦街流量計(jì)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(guò)計(jì)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(huì)造成儀表輸出的偏差。儀表出廠時(shí)，一般都是按照設(shè)計(jì)溫度和壓力輸入數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)很難保證和實(shí)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(dòng)態(tài)溫壓補(bǔ)償

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償就是在渦街流量計(jì)的前后安裝壓力和溫度傳感器，實(shí)時(shí)的測(cè)量傳送被測(cè)介質(zhì)的壓力和溫度值，并把這個(gè)值送到DCS或者PLC中，通過(guò)和渦街流量計(jì)采集來(lái)的數(shù)值換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值來(lái)。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(xiě)補(bǔ)償計(jì)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(duì)應(yīng)孔板的，是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624-93對(duì)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(jì)算。在儀表組態(tài)時(shí)，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(duì)應(yīng)，DCS量程也需要寫(xiě)為立方。DCS接收的數(shù)據(jù)，再次經(jīng)過(guò)

標(biāo)況流量=k*工況流量*P*273.15/(t+273.15)

補(bǔ)償公式計(jì)算，輸出數(shù)值才是真實(shí)的標(biāo)況值。

3.5渦街流量計(jì)的正確安裝

渦街流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量和正確安裝是密不可分的，在安裝時(shí)一定要按照SH/T3521-2007規(guī)范來(lái)安裝。只有在正確的安裝下和滿足測(cè)量的工藝條件下，才能保證準(zhǔn)確的計(jì)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(jì)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(jì)前后的直管段；再次，渦街流量計(jì)周圍不能有震動(dòng)和電磁干擾。

渦街流量計(jì)是近幾年流行的測(cè)量?jī)x表，安裝方便、價(jià)格適中、測(cè)量準(zhǔn)確。大量的用于氣體測(cè)量中，正確的安裝和溫度補(bǔ)償對(duì)測(cè)量非常重要。

四、結(jié)束語(yǔ)

氣體流量測(cè)量普遍存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)題，這是由氣體的特性所確定了的。因此，在氣體流量測(cè)量系統(tǒng)中，溫壓補(bǔ)償是其中一個(gè)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(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差甚至錯(cuò)誤。

五、參考文獻(xiàn)

［1］湯良煥.氣體體積流量單位芻議[J].自動(dòng)化儀表，1992（13）：4-5.

［2］程賀著.流量測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1995.52-55.

   [3]孫淮清,王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2000：80-86.

   [4]SHT_3521-2007石油化工儀表工程施工技術(shù)規(guī)程[S]2007.

   [5]王樹(shù)清.自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1995：230-235.

作者介紹：

何龍：男，1978年9月出生，自控工程師，就職于中國(guó)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(guó)家一級(jí)期刊發(fā)表論文4篇。