详解车载音速喷嘴气体流量检定系统

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本文介绍了一种新型的车载气体流量计检定系统。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。