氣體流量計原理及發(fā)展方向

氣體流量計原理及發(fā)展方向

在物資量計量領域中,流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強物料治理、能源治理，進行物資交接、財務結算，經(jīng)濟核算，效益分析與評價及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益�，F(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足正確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。可燃氣體檢測儀| 泄露氣體檢測儀| 毒性氣體| 氧氣檢測| VOC檢測儀| 煙氣分析儀| 臭氧檢測儀| 空氣品質(zhì)監(jiān)測儀|

1 常用的幾種丈量方法簡述

為了滿足各種丈量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的丈量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。各種類型的流量計量原理、結構不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的丈量效果，需要針對不同的丈量領域，不同的丈量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計。產(chǎn)業(yè)計量中常用的幾種氣體流量計有：

（1）差壓式流量計

差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當流體流經(jīng)節(jié)流件時（如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴等），在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中，因標準孔板節(jié)流裝置差壓流量計結構簡單、制造本錢低、研究最充分、已標準化而得到最廣泛的應用�？装�流量計理論流量計算公式為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數(shù)，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；D為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可膨脹系數(shù)，無量鋼；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。

對于自然氣而言，在標準狀態(tài)下自然氣積流量的實用計算公式為：

式中，qn為標準狀態(tài)下自然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，此式As=3.1794×10^-6；c為流出系數(shù)；E為漸近速度系數(shù)；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG為相對密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為活動濕度系數(shù)；p1為孔板上游側取壓孔氣流盡對靜壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa。

差壓式流量計一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、丈量管、直管段、活動調(diào)整器、取壓管路）和差壓計組成，對工況變化、正確度要求高的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）流量計算機，組分不穩(wěn)定時還需要配置在線密度計（或色譜儀）等。

（2）速度式流量計

速度式流量計是以直接丈量封閉管道中滿管活動速度為原理的一類流量計。產(chǎn)業(yè)應用中主要有：

① 渦輪流量計：當流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道均勻流速成正比，渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流量計的理論流量方程為：

式中n為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結構參數(shù)（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）有關的參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關的系數(shù)；C為與摩擦力矩有關的系數(shù)。

② 渦街流量計：在流體中安放非流線型旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體兩側交替地分離開釋出兩列規(guī)則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計的理論流量方程為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；D為表體通徑，mm；M為旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面積之比；d為旋渦發(fā)生體迎流面寬度，mm；f為旋渦的發(fā)生頻率，Hz；Sr為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱。

③ 旋進渦輪流量計：當流體通過螺旋形導流葉片組成的起旋器后，流體被強迫圍繞中心線強烈地旋轉(zhuǎn)形成旋渦輪，通過擴大管時旋渦中心沿一錐形螺旋形進動。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦流的進動頻率與流經(jīng)旋進渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進旋渦流量計的理論流量方程為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；f為旋渦頻率，Hz；K為流量計儀表系數(shù)，P/m3(p為脈沖數(shù))。

④ 時差式超聲波流量計：當超聲波穿過活動的流體時，在同一傳播間隔內(nèi)，其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該時差與被測流體在管道中的體積流量（均勻流速）成正比。超聲波流量計的流量方程式為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；V為流體通過超聲換能器皿1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；X為傳播途徑上的軸向分量，m；t1為超聲波順流傳播的時間，s；t2為超聲波逆流傳播的時間，s。

速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補償）；對正確度要求更高的場合（如貿(mào)易自然氣），則另配置在線色譜儀連續(xù)分析混合氣體的組分或物性值計算壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。

（3）容積式流量計

在容積式流量計的內(nèi)部，有一構成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個已知容積的小空間的旋轉(zhuǎn)體，如腰輪、皮膜、轉(zhuǎn)筒、刮板、橢圓齒輪、活塞、螺桿等。旋轉(zhuǎn)體在流體壓差的作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據(jù)一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計的理論流量計算公式：

qf=n*V

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；n為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排流體的體積，m3/周。

在標準狀態(tài)下，容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。氣體容積式流量計屬機械式儀表，一般由丈量體和積算器組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補償）。

2 氣體流量計現(xiàn)場應用存在的題目分析

綜上所述，各種不同類型的氣體流量計其輸出的信號只與工況流量呈正比例（線性刻度）關系，其與被測介質(zhì)標態(tài)流量之間的刻度只能依據(jù)其某一特定工況（如設計工況）來確定，廣州市駿凱電子科技有限公司假如現(xiàn)場的實際工況（如介質(zhì)的溫度、壓力、成分及流量范圍等）已經(jīng)發(fā)生了變化，這時仍按原刻度關系讀取標態(tài)流量，顯然就會產(chǎn)生不同程度的附加誤差，使流量讀數(shù)（原刻度）失往意義。要想正確地丈量氣體流量，則就要求使用現(xiàn)場實際工況與設計工況一致并保持穩(wěn)定。然而實際工況經(jīng)常發(fā)生變化，也正由于變化才需要快速、可靠地知道變化后實際工況下條件下的正確流量，否則，丈量的意義也就不復存在。

在現(xiàn)場實際應用中，工況穩(wěn)定是相對的，變化是盡對的。因此，氣體流量計除了需要配置作為關鍵部分的流量傳感器之外，對工況變化有規(guī)律、正確度要求不高，無需遠傳或自動控制的場合，采取配置壓力計、溫度計、計算器由人工錄取參數(shù)查表格的方法計算流量這種補償方式不僅不連續(xù)、不快捷，而且繁瑣、誤差大。在盡大多數(shù)情況下，現(xiàn)場實際工況變化往往是突發(fā)和未知的，廣州市駿凱電子科技有限公司不僅頻繁出現(xiàn)且波動范圍大，此時仍依靠人工錄取參數(shù)查表格方法快速而又正確地計算流量已不現(xiàn)實，必須采取自動補償措施。

3 含水量的丈量

為了實現(xiàn)自動補償，曾經(jīng)經(jīng)歷了最初的機械補償階段，這種補償方式只能對某一參數(shù)（如壓力）進行校正，由于流量計不僅結構復雜、體積粗笨、可動部件多，故障率高，而且正確度低，當補償不完全時，還得進行定點校正；該方式應用時不夠靈活，對于參數(shù)頻繁波動的場合則無法正常發(fā)揮補償作用。其后出現(xiàn)的機械式電動補償裝置，它將介質(zhì)的工況質(zhì)量、壓力及溫度參數(shù)，分別轉(zhuǎn)換成電阻或電壓等形式的信號，通過電路并配合機械機構組成自動補償系統(tǒng)，以完成連續(xù)補償運算，但這類補償裝置仍存在結構復雜，調(diào)校困難的缺點；補償不完全，正確度也不高，電動單元組合儀表的出現(xiàn)給流量自動 補償帶來了轉(zhuǎn)機,它通過變送器同時檢測出流體的工況流量、壓力及溫度等參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應的同一電流信號，按照某種運算關系，將這些信號送進計算單元（如加減器、乘除器、開方器、比例積算器等）進行運算，然后輸出代表補償后的流量信號用于顯示、記錄或控制，這種方法實現(xiàn)了快捷的自動連續(xù)補償、正確度也有所進步，單元組合儀表具有通用性強、系統(tǒng)組成靈活的優(yōu)點，但仍然存在補償不完全的缺點，隨著集成電路的發(fā)展和計算機技術的應用，氣體流量自動全補償方案的實現(xiàn)已出現(xiàn)曙光而成為現(xiàn)實，大規(guī)模集成電路具有運行穩(wěn)定可靠、體積小、功能強的優(yōu)點，計算機具有強大的運算能力和數(shù)據(jù)存儲能力，可以實現(xiàn)多功能、多參數(shù)、多支路、主正確度的補償，流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（全補償）已成為當前流量儀表的主流。

從現(xiàn)場使用的角度來看，真正意義上的氣體量計不是僅指流量傳感器而是一個系統(tǒng)，應是：由節(jié)流裝置或流量傳感器（變送器）、壓力傳感器（變送器）、溫度傳感器（變送器）、在線密度計或色譜儀、流量積算儀或流量計算機組成的一個完整的計量系統(tǒng)。其理由有：第一，現(xiàn)場治理的需要， 經(jīng)過全補償?shù)捏w積流量不僅在控制室能看到,在操縱現(xiàn)場也能方便的同步看到.第二,安全可靠的需要,目前的流量積算儀或流量計算性能同時計算和控制多路流量即是優(yōu)點又是缺點，當其硬件或軟件出現(xiàn)故障時多路流量同時受影響。第三，量傳檢定的需要，如前所述，氣體流量是由多參數(shù)決定的，其補償?shù)臄?shù)學模型及過程繁瑣復雜，如濕氣、飽和蒸氣、自然氣等介質(zhì)的計量題目，熱值能量計量題目，氣體流量計是由多臺儀表（儀器）組成的一個系統(tǒng)，涉及到長度、力學、熱工、化學、時間、電磁等專業(yè)，用戶�？磳⑵淇闯梢粋�黑匣子，不管過程只認結果，然而目前的計量檢定標準裝置只能按專業(yè)分別對單一參數(shù)進行量傳檢定，就流量傳感器（變送器）方面 ，廣州市駿凱電子科技有限公司盡大多數(shù)流量計制造廠家和計量檢定機構也只能用水或低壓空氣代替實際介質(zhì)檢定流量傳感器（變送器），目前標準節(jié)流裝置裝置一般只檢幾何尺寸不檢流出系數(shù)，然后將組合后用到實際介質(zhì)實際工況中往，很顯然這種檢定方法其代表性不完全，將會帶來誤差，所以說目前流量正確性的保證是間接是間接而非直接的，正如同單元組合儀表一樣，“單�！辈荒芡耆�代表“聯(lián)校”。因此使用實際介質(zhì)在實際（模擬）工況下對氣體流量計進行系統(tǒng)檢定是保證計量結果正確可靠有效的手段。一體化的氣體流量計能很方便的實現(xiàn)這種真正意義的量值傳遞或溯源。

相信隨著科技的進步和發(fā)展，將傳感技術、計算機技術、微電子技術、通訊技術應用到氣體流量計中，全補償一體化的氣體流量計已成為可能，將會給氣體流量計量帶來一場深刻的革命。