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

曹 珩，凡友琴，曹 玨，呂文琪

（湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，武漢 430074）

0 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(guò)程控制中一種常見(jiàn)的變面積式流量計(jì)，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)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(guó)家相關(guān)規(guī)范的認(rèn)可。本文對(duì)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(cè)量原理

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(cè)量管，測(cè)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(cè)流體的密度，確?？梢栽阱F形測(cè)量管內(nèi)自由上下移動(dòng)。被測(cè)流體自下而上通過(guò)測(cè)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(cè)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(cè)流體的流量大小，這就是變面積式測(cè)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(cè)量管底部的高度來(lái)指示流量的大小，并通過(guò)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?chǎng)信號(hào)，再通過(guò)精密充磁的磁耦合系統(tǒng)及智能型指示器將磁場(chǎng)變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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?jī)x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(cè)量流量[4]，因此金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)僅用于測(cè)量黏度較小的流體介質(zhì)，工作過(guò)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(wú)量綱量），數(shù)值取決于轉(zhuǎn)子形狀；Df為轉(zhuǎn)子最大直徑，m；φ為錐形測(cè)量管錐角；h為轉(zhuǎn)子受力平衡后上端平面高出錐形測(cè)量管底部的高度，m；Vf為轉(zhuǎn)子體積，m3；Af為轉(zhuǎn)子垂直于流向的最大橫截面積，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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(cè)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(guó)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(cè)量介質(zhì)在測(cè)量過(guò)程時(shí)刻保持滿管狀態(tài)，確保測(cè)量精度。由于氣體介質(zhì)非常容易膨脹和擴(kuò)散，輸送過(guò)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(cè)量氣體流量。

3 氣體流量測(cè)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(duì)液體介質(zhì)）或者空氣（工況101.325 kPa/20 ℃，針對(duì)氣體介質(zhì)）標(biāo)定量程刻度。因此，被測(cè)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(cè)流體工況體積流量，m3/s；ρB為被測(cè)流體介質(zhì)工況密度，kg/m3。

由于金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)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：

對(duì)于被測(cè)介質(zhì)為氣體時(shí)標(biāo)定介質(zhì)為空氣，由于轉(zhuǎn)子材料為固體，因此ρf?ρA且ρf?ρB，在精度要求不高的情況下甚至可取來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算[8]。

下述設(shè)計(jì)案例為氣體流量測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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：

4 結(jié)束語(yǔ)

金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種可靠有效的流量測(cè)量?jī)x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)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(cè)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(cè)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(chǎng)合，必將具有廣闊前景。