水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)在氣體流量測量中的應(yīng)用

摘要：金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種可靠有效的流量測量儀表，對介質(zhì)進(jìn)料方向有一定要求。闡述了金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的基本工作原理及經(jīng)典流量計(jì)算公式，介紹了一種新推出的水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)在化工裝置中的實(shí)際應(yīng)用。這款新型轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以水平安裝，特別適用于測量氣體流量，需要通過經(jīng)典流量計(jì)算公式進(jìn)行刻度換算來標(biāo)定量程。

1、引言

金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì) （亦稱金屬管浮子流量計(jì)） 是工業(yè)自動(dòng)化過程控制中一種常見的變面積式流量計(jì)，具備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在精細(xì)化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

常規(guī)的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)要求流體進(jìn)料方向?yàn)榈走M(jìn)上出形式，需要安裝在底部進(jìn)料的垂直管道上；由于工藝管道以水平走向居多，這種安裝方式在一定程度上限制了轉(zhuǎn)子流量計(jì)的應(yīng)用。目前某國際知名流量計(jì)廠家推出一款可以水平安裝的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其可靠性及應(yīng)用范圍得到國家相關(guān)規(guī)范的認(rèn)可。本文對其進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期待該流量計(jì)能夠得到更好的應(yīng)用。

1 金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)基本測量原理

上海自動(dòng)化儀表金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的主體構(gòu)件是一根金屬材質(zhì)的錐形測量管，測量元件是一個(gè)內(nèi)置磁鋼的轉(zhuǎn)子 （或稱浮子），故而得名[2]。金屬管的錐度通常在 4°左右，下端截面積略小于上端；轉(zhuǎn)子直徑略小于金屬管內(nèi)徑，形成一個(gè)截面積較小的環(huán)隙。轉(zhuǎn)子材料密度需大于被測流體的密度，確?？梢栽阱F形測量管內(nèi)自由上下移動(dòng)。被測流體自下而上通過測量錐管時(shí)，流體沖擊力和浮力同時(shí)作用令轉(zhuǎn)子逐步上升。隨著轉(zhuǎn)子上升，其環(huán)隙面積逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致流體沖擊力隨之減小直至沖擊力、浮力與轉(zhuǎn)子重量達(dá)到受力平衡，此時(shí)浮子便穩(wěn)定懸浮在某一高度上。如果被測流體流速發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子上升高度會(huì)隨之改變直至穩(wěn)定在新的受力平衡點(diǎn)[3]故而浮子平衡點(diǎn)位置的高低可以實(shí)時(shí)反饋被測流體的流量大小，這就是變面積式測量的原理。通常用轉(zhuǎn)子受力平衡后的上端平面高出錐形測量管底部的高度來指示流量的大小，并通過轉(zhuǎn)子的內(nèi)置磁鋼將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌鲂盘?hào)，再通過精密充磁的磁耦合系統(tǒng)及智能型指示器將磁場變化趨勢轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)運(yùn)算補(bǔ)償，可以遠(yuǎn)傳到 LCD 液晶顯示屏上，顯示出瞬時(shí)流量及累積流量數(shù)據(jù)。

根據(jù)《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20507-2014附錄A流量儀表選型規(guī)定，黏性液體不宜采用金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量[4]，因此金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)僅用于測量黏度較小的流體介質(zhì)，工作過程中可以忽略黏性應(yīng)力的影響。根據(jù)流體伯努利方程及阿基米德浮力公式進(jìn)行推導(dǎo)，金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的經(jīng)典流量計(jì)算公式[5]為：式中：QV 為工況體積流量，m3/s；α為流量系數(shù) （無量綱量），數(shù)值取決于轉(zhuǎn)子形狀；Df為轉(zhuǎn)子非常大直徑，m；φ為錐形測量管錐角；h為轉(zhuǎn)子受力平衡后上端平面高出錐形測量管底部的高度，m；Vf為轉(zhuǎn)子體積，m3；Af為轉(zhuǎn)子垂直于流向的非常大橫截面積，m2；ρf為轉(zhuǎn)子材料密度，kg/m3；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2。對于同一規(guī)格的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，α、Df、φ、Vf、ρf及Af均為常數(shù)。因此根據(jù)經(jīng)典的流量計(jì)算公式，流量大小僅取決于轉(zhuǎn)子高度及流體介質(zhì)密度，可以利用該公式對標(biāo)定好的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行刻度換算[6]。

2 水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)

針對常規(guī)的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須安裝在垂直管道上這一缺點(diǎn)，德國科隆公司推出一款新型的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)（代號(hào)H250/H），確保上海自動(dòng)化儀表金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)能夠在水平管道上安裝和應(yīng)用，使用性能和測量精度能夠滿足生產(chǎn)要求。這種新型的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)也得到國家相關(guān)規(guī)范的認(rèn)可，根據(jù)《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20507-2014第6.3.7條，轉(zhuǎn)子流量計(jì)亦可安裝在水平管道上[4]。該型號(hào)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)優(yōu)化內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型，采用轉(zhuǎn)子+孔板模式并增設(shè)復(fù)位彈簧，利用這種復(fù)位力取代轉(zhuǎn)子重量與浮力之差[7]，故其流量特性依然遵循金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的經(jīng)典流量計(jì)算公式，只是需要測量介質(zhì)在測量過程時(shí)刻保持滿管狀態(tài)，確保測量精度。由于氣體介質(zhì)非常容易膨脹和擴(kuò)散，輸送過程可以確保物料管道處于滿管狀態(tài)，因此該水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)特別適用于測量氣體流量。

3 氣體流量測量的刻度換算法

由于生產(chǎn)廠家供貨的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)通常是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的流量計(jì)，出廠前一般采用清水 （工況 20 ℃，針對液體介質(zhì)）或者空氣（工況101.325 kPa/20 ℃，針對氣體介質(zhì)）標(biāo)定量程刻度。因此，被測流體與上述條件不符時(shí)，需要進(jìn)行刻度換算才能獲得實(shí)際流量。根據(jù)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的經(jīng)典流量計(jì)算公式可得：式中：QV, A為標(biāo)定流體體積流量，m3/s；ρA為標(biāo)定流體介質(zhì)密度，kg/m3；QV, B為被測流體工況體積流量，m3/s；ρB

為被測流體介質(zhì)工況密度，kg/m3。由于金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量前后性能不會(huì)改變，則α、 Df、φ、Vf、ρf及Af均為常數(shù)，式 （3） 除以式 （2），可得修正系數(shù)K為：下述設(shè)計(jì)案例為氣體流量測量的刻度換算法的具體應(yīng)用。某工廠四氯化硅裝置設(shè)計(jì)水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測量氯

氣流量。根據(jù)業(yè)主提供的資料，氯氣管道工作壓力為300 kPa，溫度為25 ℃，氯氣標(biāo)準(zhǔn)密度為3.210 kg/m3。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[9]，可以推算出氯氣工況密度為：式中：ρ標(biāo)、P 標(biāo)、T 標(biāo)分別為氯氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度、壓力及絕對溫度；ρB、PB、TB分別為氯氣在工況狀態(tài)下的密度、壓力及絕對溫度。

此外，氯氣為強(qiáng)腐蝕性氣體，則金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子元件材質(zhì)需要選擇外襯聚四氟乙烯的不銹鋼材料。根據(jù)選型樣本轉(zhuǎn)子材質(zhì)密度ρf為 7 900 kg/m3，標(biāo)定空氣的密度ρA為1.205 kg/m3，故修正系數(shù)為：如果金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)上讀數(shù)顯示15 m3/h，則氯氣實(shí)際工況流量為：0.371 8×10=5.577 m3/h （7）

4 結(jié)束語

金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種可靠有效的流量測量儀表，其理論研究已經(jīng)非常完善。新出現(xiàn)的水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以克服傳統(tǒng)上海自動(dòng)化儀表金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)只能安裝在從底部進(jìn)料的垂直管道上這一缺點(diǎn)，已逐步得到推廣。隨著流體建模理論的深化和測量技術(shù)的進(jìn)步，水平安裝式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的性能必將得到不斷優(yōu)化和改善。這種新型流量計(jì)適宜安裝在水平管道上測量氣體流量，大大拓寬了金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的應(yīng)用場合，必將具有廣闊前景。