多年來(lái), 蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量是各儀表生產(chǎn)廠家和技術(shù)人員研究和實(shí)踐的大命題。從傳統(tǒng)的孔板到90 年代在我國(guó)廣泛使用的渦街流量計(jì), 和其他的各種流量計(jì), 在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng), 都很難做到準(zhǔn)確的計(jì)量。
在以往選用流量計(jì)時(shí), 往往受到流量計(jì)本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計(jì)量程比小, 計(jì)量精度低, 而不能很好滿足過(guò)程的控制流量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)在的流量計(jì)有了新的發(fā)展, 蒸汽計(jì)量中采用了新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)并做了相應(yīng)的測(cè)試。
1、應(yīng)用條件
流量?jī)x表要正確和有效地選擇, 必須熟悉流量?jī)x表和被測(cè)對(duì)象的流體特性兩方面的情況, 還要考慮經(jīng)濟(jì)因素等, 結(jié)合具體應(yīng)用過(guò)程中各方面因素, 歸納起來(lái)有5 個(gè)方面:
( 1) 液體特性: 包括液體種類(lèi)、物理化學(xué)性能(密度、粘度、腐蝕性、含雜質(zhì)程度、是否易結(jié)晶等) 、溫度和壓力的變化范圍等特性。
( 2) 性能要求: 包括測(cè)量范圍、精度等級(jí)、重復(fù)性、線性度、允許壓力損失、響應(yīng)時(shí)間等要求。
( 3) 環(huán)境要求: 爆炸危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、電氣干擾等要求。
( 4) 安裝條件: 包括前后直管段情況、液體有無(wú)脈動(dòng)或沖擊、有無(wú)停工檢修的可能性、管道是否振動(dòng)、維護(hù)空間等條件。
( 5) 費(fèi)用限制: 在滿足能源、精度的要求基礎(chǔ)上, 結(jié)合投資情況, 結(jié)合考慮安裝、運(yùn)行、校驗(yàn)、維護(hù)等費(fèi)用。
差壓式流量計(jì)是迄今為止檢測(cè)各種氣體、液體和蒸汽流量最為廣泛使用和熟悉的計(jì)量?jī)x表。檢測(cè)流量的基本原理早在17 世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn), 而真正開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)和用于工業(yè)流量測(cè)量是在本世紀(jì)20 年代。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過(guò)60 余年的研究和使用, 積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn), 它是目前流量?jī)x表中唯一達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)元件, 即無(wú)須校準(zhǔn)就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì), 約80% 的流量測(cè)量系統(tǒng)采用差壓式流量計(jì)。由此可見(jiàn)必須充分了解差壓式流量計(jì)的特性。
差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置( 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置) 和差壓計(jì)組成。按其原理屬于流速法。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置基本適合測(cè)量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 能夠保證一定使用精度, 加工、安裝及更換方便, 價(jià)格低廉。主要缺點(diǎn)是測(cè)量范圍窄( 量程比約5: 1) , 永久壓力損失大( 占差壓的40%~ 80% ) , 直管段要求較嚴(yán)格。帶尖銳邊緣的標(biāo)準(zhǔn)孔板不適合測(cè)量強(qiáng)腐蝕介質(zhì), 長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)改變流量系數(shù), 從而增大誤差。此時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。一般需經(jīng)模擬實(shí)流試驗(yàn)才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱(chēng)為特殊節(jié)流裝置( 或稱(chēng)為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置) 。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的不足。比如1/ 4 圓噴嘴和雙重孔板可用于測(cè)量低雷諾數(shù)的流體, 圓缺孔板、偏心孔板等可用于測(cè)量臟污介質(zhì), 整體( 內(nèi)藏) 孔板可用于測(cè)量小流量( 小管道) , 文丘里管適用于低壓損測(cè)量等.... 在1999 年公司維達(dá)搬遷工程中, 根據(jù)工藝要求在提煉工序中完成蒸氣流量計(jì)量任務(wù), 確保提煉工藝中的要求, 計(jì)量精度優(yōu)于.. 1..0%, 范圍度> 1..13, 據(jù)此選用了SR ( III ) 型流量計(jì), 其特點(diǎn)如下:
T C205 流量?jī)x采用分段運(yùn)算法和模擬線性法共同完成和實(shí)現(xiàn)了量程比的擴(kuò)展, 以及一體化安裝結(jié)構(gòu)減小了安裝管路引入的誤差。
2、工作原理
孔板流量計(jì)是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計(jì), 傳統(tǒng)孔板是范圍度1..3~ 1..5, 計(jì)量精度.. 5% , 這是為什么呢?
以往的孔板流量計(jì)以..p 為變量, 測(cè)出孔板的流量, 但這在實(shí)際中q m= f ( c, .., ..p ) 的函數(shù), 在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常c, ..作為常量去設(shè)計(jì), 從圖1 可見(jiàn), 流量大時(shí)誤差偏向.. + .. 側(cè), 反之, 流量小, 誤差偏向一側(cè)。由壓差檢測(cè)獲得曲線, 在計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)工業(yè)計(jì)量。 之前的100 多年里, 人們經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次的研究, 竟然一直對(duì)這一運(yùn)算方法深信不疑。造成這種狀態(tài)的原因大概是由于產(chǎn)生差壓的孔板構(gòu)造太簡(jiǎn)單了, 連制造標(biāo)準(zhǔn)基本上也是世界通用的, 人們沒(méi)有想到要質(zhì)疑自己已經(jīng)習(xí)慣了的數(shù)學(xué)模式。以致使孔板流量計(jì)的量程比和測(cè)量精度在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里停留在較低的水平。到了1984 年, 由于IC 技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用, 技術(shù)人員開(kāi)始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運(yùn)算方法。圖2 與圖1 相同, 計(jì)算誤差均限定為4% 時(shí), 流量范圍約為45% ~ 85% 。這就是過(guò)去工業(yè)測(cè)量所能使用的范圍, 量程比為1..4, 孔板測(cè)量精度.. 4%, 再提高測(cè)量精度至.. 3% 時(shí), 量程比縮小1 .2 附近, 超過(guò)這個(gè)界限測(cè)量時(shí), 會(huì)造成壓力表內(nèi)水銀飛濺, 產(chǎn)生大的測(cè)量誤差, 是不便于實(shí)際應(yīng)用的流量計(jì)。這就是人們認(rèn)為孔板流量計(jì)精度.. 4% , 量程比最大到1..4 固有觀念的原因所在。事實(shí)上確是如此, 即便擁有現(xiàn)代的傳感器, 也無(wú)法超越這個(gè)原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對(duì)工業(yè)測(cè)量是沒(méi)有多大用處的。技術(shù)人員, 從誤差曲線開(kāi)始研究, 在曲線上精度0% 處( 流量65%附近) 分割出一流量( 壓差) 區(qū)域, 在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量精度為零或接近于零, 并進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)。為便于計(jì)算, 選定使用頻率高的區(qū)域, 在此區(qū)域內(nèi)組成計(jì)算誤差最小的數(shù)學(xué)模型, 其它區(qū)域仍用以往的計(jì)算式。如圖3 所示, 這種方式在所確定的區(qū)域內(nèi)誤差變小, 區(qū)域外側(cè)產(chǎn)生很大的誤差, 隨著流量范圍增大, 誤差就越大, 不能取得大的量程比。由此可見(jiàn), 只用一個(gè)公式包容流量計(jì)的整個(gè)流量范圍, 是不合適的, 有違于測(cè)量原理。這種方式的根本錯(cuò)誤是難于將所認(rèn)定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實(shí)相吻合, 對(duì)于整個(gè)流量范圍, 減少測(cè)量誤差的唯一方法是什么呢? 回答是很簡(jiǎn)單的, 即增加運(yùn)算式的數(shù)量就可滿足要求。第一階段是首先將誤差限定在.. 1%時(shí), 分析用一個(gè)運(yùn)算式計(jì)算誤差有多少, 發(fā)現(xiàn)流量范圍按30% 的比例平分后, 平均其誤差, 分段圖如圖4 所示。在這種條件下使用計(jì)算機(jī)按所編程序進(jìn)行運(yùn)算, 取得了非常好的成績(jī)。由此結(jié)果增強(qiáng)了可進(jìn)一步縮小誤差范圍的信心, 由1..0% 一下縮至0..5%, 分割流量范圍為20% , 可見(jiàn)其誤差平均化, 如圖5 所示。將此理論進(jìn)一步發(fā)展, 可將分割流量范圍為20% , 可將分割區(qū)間細(xì)分為圖6 與圖7, 使誤差無(wú)限接近零, 進(jìn)一步細(xì)分至無(wú)窮大, 最后可能收斂于零如圖8 所示。然而問(wèn)題不那么簡(jiǎn)單, 細(xì)分區(qū)間必然使得孔板的計(jì)算復(fù)雜化, 其理由是, 要計(jì)算二個(gè)變量需要龐大的基礎(chǔ)資料和反復(fù)進(jìn)行運(yùn)算嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式, 即使使用現(xiàn)代家用電腦, 其運(yùn)算時(shí)間也要超過(guò)1s。更何況專(zhuān)用小型計(jì)算器了, 根本跟不上流體的變化, 必導(dǎo)致產(chǎn)生數(shù)秒的運(yùn)算滯后和顯示滯后。從實(shí)用角度看, 無(wú)論使用什么樣的軟件技術(shù), 運(yùn)算所需時(shí)間都要在0..5s 內(nèi)完成。在不計(jì)成本的開(kāi)發(fā)研制階段, 是不需考慮的, 但要商品化則必須計(jì)較, 這也是無(wú)限細(xì)分區(qū)間遇到的最大障礙。
在反復(fù)計(jì)算各參數(shù)變量的過(guò)程中, 不局限于將誤差控制在.. 5% 的分段區(qū)間的均等性, 相反由誤差所控范圍推出分段區(qū)間, 在這個(gè)分出的流量區(qū)域內(nèi), 將流量系數(shù)與可膨脹系數(shù)這二個(gè)變量集約成一個(gè)參數(shù)變量。更為重要的是明確了分段區(qū)間不用分為5 等分, 分為4 個(gè)區(qū)段就足以保證測(cè)量精度。此舉可縮短運(yùn)算時(shí)間和壓縮記憶存儲(chǔ)容量, 為產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。圖9 所示分段區(qū)間不是按20% 等分, 而是在特定區(qū)域加大區(qū)間, 其他的以20%進(jìn)行分段。分段運(yùn)算法最顯然的缺陷是各分段區(qū)間的連接點(diǎn), .. + .. 誤差瞬間變?yōu)?. - .. 誤差, 理論上出現(xiàn)數(shù)值重疊, 實(shí)際上在那點(diǎn)只要流量不為零, 就看不到這種現(xiàn)象。在瞬間流量顯示時(shí), 瞬間數(shù)值會(huì)有所變動(dòng), 但由于在1% 誤差內(nèi)的變動(dòng), 不會(huì)影響實(shí)際使用, 在視覺(jué)上也極難觀察到這種現(xiàn)象。相反在累加中, 由于一連串的流量增減, 反復(fù)通過(guò)三個(gè)連接點(diǎn), 正負(fù)誤差相互抵消平均, 在4 個(gè)分段內(nèi)的運(yùn)算也因此正負(fù)誤差相抵, 從整個(gè)累加量上分析具有縮小綜合誤差的效果。這一點(diǎn)是分段運(yùn)算的重要優(yōu)越性。詳見(jiàn)圖10。根據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 將分段點(diǎn)取為8 段, 并以等比段數(shù)分段法去分段, 基于這一理論開(kāi)發(fā)的SR 型流量計(jì), 范圍度1..13, 基本誤差.. 1% 。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)測(cè)結(jié)果表明該流量計(jì)具有1..13 量程比, 基本誤差在.. 1..0% , 較好的滿足了生產(chǎn)工藝的要求, 實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的措施。
