煤礦管道氣體流量傳感器溫度壓力補償方法

高文平

摘要：該文介紹了煤礦瓦斯抽放管道中氣體流量傳感器溫度和壓力補償方法；本文針對煤礦管道氣體流量傳感器的具體工作環(huán)境，當(dāng)溫度和壓力與設(shè)計工況發(fā)生偏移時，如何對測量結(jié)果進行修正。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放；溫度補償；壓力補償

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0244-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

煤礦瓦斯抽放管道中氣體流量傳感器采用差壓原理對氣體流量進行測量。由于其工作在煤礦瓦斯抽放管道中，在傳感器實際運行過程中實際的工況會偏離設(shè)計工況，溫度和壓力的變化會引起氣體密度的變化，密度的變化會造成測量結(jié)果誤差的增大，所以需要對測量結(jié)果進行修正[1]?，F(xiàn)場可以方便測量氣體的壓力和溫度，很難測量氣體的密度。氣體的密度和溫度、壓力有對應(yīng)關(guān)系，所以可以通過溫度和壓力的補償來抵消氣體密度變化對流量測量的影響。從這個角度來看，溫度和壓力補償實際上就是對密度的補償。所謂流量測量時的溫度、壓力補償就是將流量傳感器所檢測到的流量數(shù)據(jù)，根據(jù)被測氣體當(dāng)時工況溫度、工況壓力，通過一定的公式和方法得到流體實際的流量[2]。我們可以通過流量測量的基本公式、流量狀態(tài)的換算公式以及氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出氣體測量時溫壓補償公式。

2 溫壓補償公式推導(dǎo)

氣體差壓流量計的基本運算公式為：

（1）

式中：q為氣體體積流量m3/min；C為流出系數(shù)；ε為可膨脹性系數(shù)；D為管道的直徑，m；ρ為被測氣體的密度kg/m3 ；Δp為節(jié)流件前后差壓Pa。

用差壓式流量計測量氣體流量時，當(dāng)被測氣體的實際參數(shù)（溫度、壓力）與設(shè)計的參數(shù)不一致時，其流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε、孔徑D，密度ρ等值都會改變，影響流量計測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果溫度、壓力偏離設(shè)計太多，應(yīng)重新計算差壓與流量之間的關(guān)系。當(dāng)溫度和壓力與設(shè)計時采用的值偏差不大，對流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε、孔徑D的影響極小，則只需要考慮密度P的變化，此時我們就可以通過溫壓補償?shù)姆绞綄α髁繙y量結(jié)果進行修正[3]。本文討論的溫壓補償是指補償密度隨溫度、壓力變化對測量結(jié)果造成的影響。因此（1）式可以簡化為：

（2）

由于氣體是可壓縮的，即同一質(zhì)量的氣體在不同壓力、不同溫度下的體積是不同的，所以計量氣體時都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，即溫度t=0℃（或20℃），壓力P=101.33kPa即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時的體積來計算[4]。上式為工作狀態(tài)下的氣體體積流量，因此工作狀態(tài)下所得的體積還需換到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，其換算公式可由氣體狀態(tài)方程PV=ZRT（R為常數(shù)1）推導(dǎo)得出：

式中：q 為工作狀態(tài)下的氣體體積流量，qn 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量，T為工作狀態(tài)下氣體溫度，Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，P為工作狀態(tài)下的氣體壓力，Pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Z為壓縮系數(shù)[5]。

通常在低壓下，氣體壓縮系數(shù)Z變化非常小，故忽略其影響，則（3）式可簡化為：

工作狀態(tài)下的氣體密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度也可以換算，其換算公式可由質(zhì)量守恒定律得出：

式中ρ， ρn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度。

將（4）、（5）帶人（2）式，得

當(dāng)實際的工作條件偏離節(jié)流裝置設(shè)計時的條件時，節(jié)流裝置測得的氣體流量需要進行修正。設(shè)qn設(shè)為設(shè)計條件時的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，帶人（6）式

設(shè)qn實為實際工作條件時的氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，帶入（6）式

（7）式和（8）式相比，得出：

式（9）即為實際工作條件偏離設(shè)計條件時的流量修正公式，即差壓式流量計的溫壓補償公式。

3補償公式應(yīng)用

對于溫壓補償公式在應(yīng)用時，我們需要注意的是公式中的溫度和壓力均為絕對溫度和絕對壓力，對于溫度變送器和壓力變送器檢測到的溫度和壓力值要通過換算才能帶入補償公式中，我們將通過實例來說明。

煤礦管道氣體流量傳感器，設(shè)計最大流量為800m3/min，設(shè)計溫度為20℃，設(shè)計壓力為10kPa（表壓），煤礦現(xiàn)場大氣壓為92kPa，現(xiàn)差壓變送器開方后指示為50%，溫度顯示25℃，現(xiàn)場表壓為40kPa，則現(xiàn)在實際的流量值計算如下：

需要特別注意的是，壓力在由表壓力換算為絕對壓力的時候，應(yīng)將當(dāng)?shù)卮髿鈮簻p去表壓力，并非一定是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因各地大氣壓不完全與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓一致，必須要了解流量計使用地點的大氣壓力。

4 結(jié)束語

差壓式流量計在測量氣態(tài)介質(zhì)流量時，為了確保測量結(jié)果準(zhǔn)確，需要增加溫度、壓力檢測裝置，溫度、壓力信號應(yīng)與流量信號一起接入儀表按照上述方法對流量測量結(jié)果加以修正，以消除測量誤差，提高測量精度。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】