水平安裝式金屬管轉子流量計在氣體流量測量中的應用

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

1、引言

金屬管轉子流量計 （亦稱(chēng)金屬管浮子流量計） 是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制中一種常見(jiàn)的變面積式流量計，具備結構簡(jiǎn)單、安裝方便、性能可靠、價(jià)格低廉、維護性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在精細化工行業(yè)得到廣泛應用。

常規的金屬管轉子流量計要求流體進(jìn)料方向為底進(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子流量計的應用。目前某國際知名流量計廠(chǎng)家推出一款可以水平安裝的金屬管轉子流量計，其可靠性及應用范圍得到國家相關(guān)規范的認可。本文對其進(jìn)行了詳細介紹，以期待該流量計能夠得到更好的應用。

1 金屬管轉子流量計基本測量原理

上海自動(dòng)化儀表金屬管轉子流量計的主體構件是一根金屬材質(zhì)的錐形測量管，測量元件是一個(gè)內置磁鋼的轉子 （或稱(chēng)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；轉子直徑略小于金屬管內徑，形成一個(gè)截面積較小的環(huán)隙。轉子材料密度需大于被測流體的密度，確?？梢栽阱F形測量管內自由上下移動(dòng)。被測流體自下而上通過(guò)測量錐管時(shí)，流體沖擊力和浮力同時(shí)作用令轉子逐步上升。隨著(zhù)轉子上升，其環(huán)隙面積逐步擴大，導致流體沖擊力隨之減小直至沖擊力、浮力與轉子重量達到受力平衡，此時(shí)浮子便穩定懸浮在某一高度上。如果被測流體流速發(fā)生變化，轉子上升高度會(huì )隨之改變直至穩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。通常用轉子受力平衡后的上端平面高出錐形測量管底部的高度來(lái)指示流量的大小，并通過(guò)轉子的內置磁鋼將轉子的位置信號轉變?yōu)榇艌?chǎng)信號，再通過(guò)精密充磁的磁耦合系統及智能型指示器將磁場(chǎng)變化趨勢轉化成電信號，經(jīng)過(guò)數字信號處理及數據運算補償，可以遠傳到 LCD 液晶顯示屏上，顯示出瞬時(shí)流量及累積流量數據。

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

2 水平安裝式金屬管轉子流量計

針對常規的金屬管轉子流量計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子流量計（代號H250/H），確保上海自動(dòng)化儀表金屬管轉子流量計能夠在水平管道上安裝和應用，使用性能和測量精度能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。這種新型的金屬管轉子流量計也得到國家相關(guān)規范的認可，根據《自動(dòng)化儀表選型設計規范》HG/T 20507-2014第6.3.7條，轉子流量計亦可安裝在水平管道上[4]。該型號金屬管轉子流量計優(yōu)化內部轉子結構模型，采用轉子+孔板模式并增設復位彈簧，利用這種復位力取代轉子重量與浮力之差[7]，故其流量特性依然遵循金屬管轉子流量計的經(jīng)典流量計算公式，只是需要測量介質(zhì)在測量過(guò)程時(shí)刻保持滿(mǎn)管狀態(tài)，確保測量精度。由于氣體介質(zhì)非常容易膨脹和擴散，輸送過(guò)程可以確保物料管道處于滿(mǎn)管狀態(tài)，因此該水平安裝式金屬管轉子流量計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(chǎng)家供貨的金屬管轉子流量計通常是標準規格的流量計，出廠(chǎng)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。根據金屬管轉子流量計的經(jīng)典流量計算公式可得：式中：QV, A為標定流體體積流量，m3/s；ρA為標定流體介質(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。由于金屬管轉子流量計測量前后性能不會(huì )改變，則α、 Df、φ、Vf、ρf及Af均為常數，式 （3） 除以式 （2），可得修正系數K為：下述設計案例為氣體流量測量的刻度換算法的具體應用。某工廠(chǎng)四氯化硅裝置設計水平安裝式金屬管轉子流量計用于測量氯

氣流量。根據業(yè)主提供的資料，氯氣管道工作壓力為300 kPa，溫度為25 ℃，氯氣標準密度為3.210 kg/m3。根據理想氣體狀態(tài)方程[9]，可以推算出氯氣工況密度為：式中：ρ標、P 標、T 標分別為氯氣在標準狀態(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，氯氣為強腐蝕性氣體，則金屬管轉子流量計的轉子元件材質(zhì)需要選擇外襯聚四氟乙烯的不銹鋼材料。根據選型樣本轉子材質(zhì)密度ρf為 7 900 kg/m3，標定空氣的密度ρA為1.205 kg/m3，故修正系數為：如果金屬管轉子流量計上讀數顯示15 m3/h，則氯氣實(shí)際工況流量為：0.371 8×10=5.577 m3/h （7）

4 結束語(yǔ)

金屬管轉子流量計是一種可靠有效的流量測量?jì)x表，其理論研究已經(jīng)非常完善。新出現的水平安裝式金屬管轉子流量計可以克服傳統上海自動(dòng)化儀表金屬管轉子流量計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(zhù)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子流量計的性能必將得到不斷優(yōu)化和改善。這種新型流量計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子流量計的應用場(chǎng)合，必將具有廣闊前景。