一种新型的车载音速喷嘴气体流量检定系统 Douglas E. Dodds 　　摘要：本文介绍了一种新型的车载气体涡轮流量计检定系统。该系统由计算机控制一台数控喷嘴切换阀，可以根据流量计的口径自动选择11个音速喷嘴中的任一个对气体涡轮流量计在工况条件下进行检定；同时该系统中还有一台气相色谱仪与音速喷嘴结合起来完成气体质量流量的运算。文章中还介绍了用音速喷嘴检定气体涡轮流量计的质量流量公式和客积流量公式，以及检定系统的工艺流程图。采用该系统检定气体涡轮流量计，可以由计算机直接进行温度、压力修正，提高检定准确度。 一、简介 　　Arkla管道集团研究了一种车载音速喷嘴检定装置，可以在实际工作条件下检定气体涡轮流量计，检定的流量计口径在3-16 in。这种检定系统与气相色谱仪结合，完成气体质量流量计算。　　这个检定系统较过去的方法有很大的提高。在大多数情况下，在大气压下检定的涡轮流量计用于工作状态，原来的仪表常数将发生飘移。而采用音速喷嘴在实际工作压力、温度条件下检定克服了这一不足。另外，音速喷嘴系统使用天然气为介质而不是空气，也去掉了由空气引入的误差。　　车载检定系统可以检定整个涡轮计量系统，而不仅仅是检定一台涡轮流量计。这意味着由脉动引起的误差可以被检测出来，这是其它任何检定系统所不能做到的。二、定 义　　音速喷嘴流量的基本定义是：在其它参数维持不变的情况下，当喷嘴下游的压力降低到某一点时，即使下游压力继续下降，也不会引起喷嘴喉管的质量流量进一步增加。在这一点，气体在喷嘴喉管处的运动速度为音速，被称为"临界流"、"音速流"或称为"扼流"。气体的质量流量可以在喷嘴喉管被精确地确定出来。早期，需在喷嘴的进口和出口的压力降低到50％时，才能获得音速，然而现在压力降可以小到5％，而典型的压降不会超过10％，即可以得到音速。三、车载检定装置的设备 　　1、一台车载板房，将其间隔成微机间、阀组间、空气压缩机间和电源间。这样可将危险区与非危险区分开。　　2、一个计算机控制系统，包括一台IBM。386微机，其具有120兆硬盘32台打印机和一个远程终端(RTU)。远程终端是微机与数控阀的接口，它有控制输出、状态输入和模拟输入控制输出开关电磁气动阀-每一个喷嘴有一个电磁阀。每一个执行器由2个舌簧开关提供状态输入信号，反映执行器的位置，由微机判定哪些喷嘴在工作状态。来自空气压缩机的状态输入信号可以指示出空气压力是否降至751b／in2(表)以下，该压力是数控阀的最小操作压力。模拟输人代表涡轮流量计的工作温度和压力(两个输入)、阀进口和出口的压力(三点输入)和阀进口的温度(一点输入)。　　3、一台Daniel气体色谱仪，其在检定系统中是一台关键设备。气相色谱仪每6min对气体进行一次实时组分分析，并将结果通过一个RS。232的通讯接口输送到计算机。计算机应用分子百分量计算出用于质量公式的两个可变量。气体色谱仪条型记录仪和控制器安装在非危险区的微机房内。色谱仪的取样探头安装在危险区内的数控阀的管线上。　　4、2个供电单元使检定系统维持运转。一个2.8kW单元驱动小的负载，如色谱仪、计算机和RTU。一个7kw电机带动一个空气压缩机和空气调节器。　　5、一台1hp的空压机提供100lb/in2(表)压力的空气给数控阀的电磁阀，用以操作喷嘴。该气源也用于开动小型的手动工具。　　6、连接管线，由2根口径为4in，长为14ft的挠型管连接被检仪表和检定系统。一根连接被检表到检定装置的进口，另一根连接检定装置出口到返回管线。每一个连接头都采用高压快速接头，管线的工作压力为550lb/in2(表)。


　　7、数控切换阀，如图1所示的数控阀重1100lb，它有11个供选择的音速喷嘴通道，其以二进制方式控制。由于最大的两个喷嘴分为最大通道功能和逻辑控制。二进制控制给数控阀10bit的分辨率。结果是流量的增量阶程为58．7Ac勋。RIU的电控信号控制着气动电磁阀的开关，同时又控制气动操作电磁阀以使音速喷嘴进入工作状态。气缸在阀的中间，其具有足够的能量，即使空气供应中断仍可使阀门旋转两次。　　数控阀体上有4个连接孔：2个进口和2个出口。连接口用于连接进口的温度变送器和进口、出口的压力变送器。由于进口压力应十分精确，一个进口应安装2个压力变送器，其量程范围分别是0-75lb/in2(表)和0-200lb/in2(表)。当压力达到第一个压力变送器量程的95％时，计算机将测压仪表从第一个压变转换到第二个压变。一次有一个喷嘴打开，气体从入口进入喷嘴，再从壳体的4个管口流出进入外壳体，然后流出阀体。 四、基本流量公式 　　检定装置计算质量流量用以下公式


式中: M-工况状态下的质量流量，lb；　　　P-壳体内压力，1b/in2(绝)；　　　A-喷嘴喉部的截面积，in2；Arkla喷嘴直径的范围为0.0620-0.9941in，因此，其面积范围约为0.003-0.776in2；　　　C-临界流量系数，它是比热值的函数(等炳流量常数)。它是一个与气体流动状态下的气体声速有关的参数。在Arkla的系统中，有代表性的天然气估算的临界流量系数值是0.7(无量纲)。该值　　　　与压力和温度有关。C是用色谱仪分析计算出的分子百分量计算而来的；　　　Cd-流出系数，或实际质量流量除以理论质量流量得的数。简言之,它是喷嘴设计的效率,对不同的喷嘴它是不同的，并且是通过标定确定的。Arkla的喷嘴流出系数范围为0.96-1.0(无量纲)；　　　R-气体常数，其值是48.03除以气体分子量;由气相色谱仪分析计算的被测气体的分子量也用于此; 　　　T-壳体内的温度，R(℉+460)。　　　　容积流量是质量流量除以密度，密度等于P/ZRT，容积流量用下式计算：


式中: V-容积流量；　　　Z-壳体内的压缩系数(R.C.Johnson，不是AGA)，是一个接近1的数值。气相色谱仪分析计算的分子量和气体组分可以用于此；　　　Rv-气体常数，等于2.398除以气体分子量。气相色谱仪计算的分子量也用于此。R和Rv已被调整为工程单位。 五、检定工艺流程 　　气体流经涡轮流量计，然后经过数控阀并送出4个信号，如图2所示。测量气体压力和温度的两个信号，另外2个脉冲信号来自涡轮流量计的脉冲发讯器和来自数控阀的质量流量信号。需注意的是涡轮流量计的脉冲信号取自转换齿轮下部。


图2 检定系统流程图 　　当流量计旋转一圈时，计算机测得装在涡轮流量计上发讯盘发出的数据。第一级齿轮是中间变速轮，对于Rockwell涡轮流量计和American流量计，它们的输入输出比为122.0555-l。第二级齿轮是变速齿轮，其输入输出比在1和2比1之间。　　流量计记数器固定在变速齿轮顶部，根据仪表口径不同，输出轴每转一圈记数器读数是100或1000 Acf。对3-6in的流量计，记数器与输出轴的比是100:1；因此，变速齿轮上面的输出轴每转一圈代表1ft3，对于8in或更大的流量计，记数器与输出轴间的比是1000:1。流量计信号、中间齿轮、变速齿轮和记数器给出的结果是实际工况下的立方英尺流量(Acf)。　　压力、容积、温度(PVT)图表安装在记数器的上部并用来校验记数器。　　计算机输入仪表温度和压力，并应用仪表测量的Acfh计算出Scfh(标准A3/h)；以lb为单位的质量流量是计算机从数控阀中获取数据除以标准状态下的密度值。在系统中流经涡轮流量计而后又通过数控阀的气体，其质量流量在各处都是一个常量。 　　然而，以实际立方英尺的容积流量随着气体的组分、温度、压力而改变。因此，在阀体的容积流量与涡轮流量计处的容积流量不同。对于一定的质量流量，当气体密度增加时，实际容积流量(Acfh)减小。阀体中的容积流量高于其在涡轮流量计处的流量--这是因为阀进口的压力低于涡轮流量计处的压力，使流体流速略有升高。这就是为什么阀门和流量计处的压力和温度都需要测量的原因。　　涡轮流量计指示的Scfh和数控阀给出的Scfh之间的差即是涡轮流量计在该流量点的误差。该误差是相对于百分流量绘制的百分误差。这个百分仪表误差曲线是以实际流量对一个专门的仪表尺常数绘制的。通过输入计算机一个不同的变速比可以很容易改变K常数(脉冲数/ft3)。　　为了得到最小的误差，可以通过软件程序应用不同尺寸的喷嘴，并可以通过改变齿轮传动比对涡轮流量计实现检定。使用软件程序可以节约时间并省力，而实际上代替了改变齿轮传动比并且可反复对流量计检定，直到取得一个理想的结果。用10个不同流量点的检定结果可以绘制出详细的图表。 六、结束语 　　Arkla公司的车载音速喷嘴气体流量检定系统应用于检定工作状态下的涡轮流量计已有5年时间，并且已完成了3500多台流量计的检定。结果表明从未出现过气体泄漏问题，大大地提高了测量准确度。 编译：潘兆柏



构成极低温流体的物质具有表1、表2所示的物理常数。这些流体通常以饱和状态储存在绝热的储存容器里。用泵升压、送出，开始过程处理，并反复进行加压、减压。在此过程中，饱和状态的极低温流体一会儿变为过冷状态，一会儿变为沸腾状态，状态容易变化。因此，配管设计和流量计设计需要采取措施。 表1 低沸点物质的物理常数 表2 液化天然气成分物质的物理常数


(2)有因浓缩而出现的物态变化 液化天然气是由表2所示的物质而组成的混合物。由于从外部向储存容器或配管内加热，所以，先从甲烷开始蒸发，发生称为浓缩的如图1所示那样的成分变化。液化天然气的成分物质甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液态密度如图2所示。由于浓缩，液化天然气的液态密度变大，所以，测量流量时，必须修正密度。 (3)对材料有限制 金属材料在极低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率、节流、冲击试验值等机械性质与常温下有很大不同，在极低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，冲击值也随材料而显著下降。因此，在极低温下所使用的仪器的材料，应是有充分抗破坏韧性的材料，使之不引起脆性破坏，这些材料就叫做低温材料。但是，现在使用的最一般的材料有：不锈钢、铝合金、90％的镍钢、35％的镍钢(镍铁合金)。表3示出了低温材料的机械性质。图3还示出了不锈钢的恰贝迁移温度曲线。





图1液化天然气的浓缩 图2 液化天然气成分的液态密度


图3不锈钢的恰贝迁移温度迁移曲线 表3低温材料的机械性质


(4)要求考虑因冷缩而产生的应力、间隙的变化后进行设计。 低温材料的物理性质如表4所示。用这些材料设计测量仪器时，必须充分考虑冷缩的影响。 (5)需要预冷 如果使极低温流体急剧地流入处于温暖状态的配管和仪器的局部，则不能控制从法兰漏出极低温流体，这样，配管和仪器会产生异常应力，有被破坏的危险。因此，必须进行预冷作业，冷却到所定的温度状态然后开始使用。 (6)必须注意因高凝固点物质的凝固而产生故障 开始使用前．如果不消除空气、油分，那么，在极低温下，固化的水分，油分，二氧化碳等会增大可动部分的摩擦，使过滤器堵塞，发生效障。 表4低温材料的物理性质


(7)在气液分界面引起对流 在气液分界面内产生的对流，会出现微弱的脉动现象，发生因烟雾而产生的故障。 流量测量仪器的种类 目前使用最多的极低温流体的流量测量仪器有孔板、涡街流量计、涡轮流量计三种。但是，各种流量计，根据其用途、测量范围，也研制了很多不同的结构。因此，希望选择仪器时，一定要在充分掌握各种仪器的特征的基础上考虑价格。维护性能、要求精度、过程中测量场所的特征。 极低温流体以液体和气体两种状态存在，但几乎所有的问题都发生在流体的流量测量过程中。因此．这里主要说明极低温液体的流量测量。 孔板 用孔板测量流体的方法是根据德国工业标准、美国机械工程师学会、日本工业标准等的标准确定的。由于其使用效果好，所以，极低温流体在以上述标准定义的物性值的范围内，如果测量时没有异常的物性值变化，就能进行圆满的测量。 实际上在极低温流体的流量测量中，孔板应用得最多，可靠性也高。但是，在进行仪表设计时有几个重要的事项需要注意，下面就加以叙述。 材料和结构 1. 材料采用SUS316L。焊接喷嘴使用低炭焊接棒是安全的。 2. 极低温流体在饱和状态下流动时，为把容易引起差压的摆动平滑化后进行测量，希望取压型式用角接取压。 3. 为了减少由于冷缩而引起的孔板漏浊，可将孔板和环室作成一体。 4. 对于测量高压配管或泵流用的孔板，难以用夹紧的办法来控制安装处的漏浊，有时甚至需要停止设备运行。因此，要按照配管等级来提高孔板安装位置的法兰和螺丝的等级，这种方法比通常用的过盈量要大，以防漏泄。同时，要将热传导率好的金属插入螺丝的空间，使配管的冷缩不产生时间差。根据情况，也有选择螺丝的冷缩率比孔板大的。 5. 在口径较大的配管上安装孔板时，用上述的薄片式的，有时不能控制漏泄。要使用带有法兰的孔板或焊接式孔扳。 2)孔板设计 涡街流量计 特征 涡街流量计用于极低温流体的流量测量时，一般特征如下： 1. 压力损失比较小。即使是极低温的流体，其蒸发量也少，可以高精度测量。 2. 量程范围大。 3. 由于是检测流速，所以，流量和输出的关系为线性。 4. 由于可以脉冲输出，容易累积计算。 5. 很容易安装导压管。 结构和材料 为了减少热收缩等原因产生的漏液的可能性，主体一般装有法兰盘，而不用螺纹接头。 为了避免冷热的影响，前置放大器部分采用加长管来安装。但是，有时也可根据情况安装散热片。本体、三角柱、法兰盘需使用低温材料SUS316。 流量测量范围 通常希望流量计的口径与普通配管直径一致。但是，往往是根据将来的计划来设计配管。当配管直径很大或使用量增加之后，会出现测量精度变差、甚至不能测量的情况。在这种情况下，必须按测量范围选用涡街流量计以及前后安装的整流器以使口径一致。一般地说，可按照下面几点来选定。 1. 最小流量的极限是这样选取的：当流量低于这个极限时，流量信号变弱。按雷诺数划分的话，雷诺数大约是2000。 2. 最大流量。换算为流速的话，取6米／秒。取该值的原因是一方面在流量计的检测部分压力损失增加，流体在该处急剧蒸发，另一方面它是涡街流量测量的极限值。 涡轮流量计 结构和材料 涡轮流量计中装有转子和轴承等以高速转动的可动部分、摩擦部分。因此，应充分了解其结构和处理方法，否则，使用时就不会发挥其特性。 一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低温材料。如能进行奥氏体化处理，SUS304也可使用。 轴承是涡轮流量计的最重要部分，达部分决定其特性、耐久性。如果被测流体是没有润滑性的液体，在选泽轴承时，要十分注意。通过实验证明，测量液化天然气用的涡轮流量计可以使用AISI 440C不锈钢的滚珠轴承。 流量范围 用涡轮流量计测量极低温流体时，最容易发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通常转速快数十倍的速度旋转。这样轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏。防止蒸发的最好方法是适当加大仪表的尺寸。涡轮流量计的压力损失与流量的平方成正比，如能将被测最大流量限制在仪表容量的1／2时，压力损失可下降到额定的1／4。 一股地说，在间断使用时，如将被测最大流量控制在仪表容量的70％以下，基本上不会产生因仪表本身的压力损失而出现的故障。连续使用时，要将常用流量限制在仪表容量的50％以下。这就需要将轴承的检查周期取为一年以上。 粘度的影响 当流体是紊流时，转子的转速不受粘度和密度的影响。但是，当是层流时，就要受影响。因此，在流量小的地方，可测量的流体的密度和流量之间存在一定的极限。液化天然气等极低温流体和汽油相比，粘度小一个数量级。因此，就可以用汽油检定，保证得到量程以上的值。 大家还可以进入中国工控168网查看更多的学习内容工控助手你学习的好帮手。工控168网祝您一路发。