摘要：由于氣體具有可壓縮性，其物理性質隨著溫度和壓力的變化而變化，給氣體的準確計量帶來難度。所以氣體的流量測量普遍存在溫壓補償問題。本文重點介紹了氣體測量中不同儀表的溫壓補償方式，并分析了氣體測量中各種儀表的優缺點。

【關鍵詞】：氣體測量 溫度補償 壓力補償

一、引言：

氣體流量常用氣體體積流量來表征。氣體體積流量是指單位時間內流經管道的氣體體積量。眾所周知，氣體體積是隨溫度和壓力的變化而變化的，所以氣體的體積流量隨工藝操作溫度和壓力的不同而不同。生產過程中，操作溫度及壓力常常發生變化，因而不同操作狀態下的體積流量大小沒有可比性。為此，實際生產過程中，常用設計工況下的體積流量或標準狀態（基準狀態）下的體積流量來表征。所謂氣體流量測量的溫度及壓力補償，其作用之一就是將操作狀態下的體積流量換算成設計狀態或標準狀態的體積流量。由于流量計是按設計狀態工藝條件進行設計制造或標定的，因此當操作工況偏離設計工況時，流量測量將產生偏差。氣體體積流量的溫度和壓力補償的另一個作用，就是修正由于流量計工作條件偏離設計工藝條件所帶來的測量誤差。

就是由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測量比液體復雜。氣體流量計量與被測氣體的密度密切相關，而氣體的密度又和溫度、壓力相關。所以，氣體的流量測量必須經過溫壓補償，才能準確的反應被測氣體的流量數值。大部分氣體，可近似地視為理想氣體，其密度可用理想氣體狀態方程來表示。有的氣體，如水蒸氣，有別于理想氣體，其密度不宜簡單地用理想氣體狀態方程來表示。

目前，氣體的測量主流儀表有孔板和渦街，貿易計量采用質量流量計。質量流量計計量準確，不存在溫壓補償問題，但價格昂貴，在氣體測量中使用不多。本文主要介紹孔板和渦街的溫壓補償。

二、孔板測量理想氣體的溫壓補償

2.1理想氣體方程

理想氣體狀態方程（又稱理想氣體定律、普適氣體定律）是描述理想氣體在處于平衡態時，壓強、體積、物質的量、溫度間關系的狀態方程。它建立在玻意耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等經驗定律上.

pV=nRT

若取標準狀態（P0=1.01325*105、T0=273.15K）下的1摩爾(mol)理想氣體，由阿伏伽德羅(Avogadro)定律知，氣體的摩爾體積為22.4L/mol。因而，此時常數C取特定值，用R表示

R值稱為普適氣體常量(universalgasconstant)。

2.2理想氣體溫壓補償公式推導

流量節流裝置的國家標準GB/T2624-93中對標準狀態下差壓氣體流量計的示值修正，在氣體溫度和壓力改變時給出了氣體體積流量計量的補正公式：

式中，qv為氣體體積流量；p為氣體壓力；T為氣體溫度，Z為氣體壓縮系數；ε為流束膨脹系數。

2.3孔板測氣體溫壓補償公式的推導

被測介質的工作狀態（溫度、壓力、粘度）參數和設計值有所變化時，測量值和實際流量就存在誤差。因此，必須對流量進行在線修正，才能反應出真實的流量來。即同一質量的氣體，在不同的壓力和溫度下體積是不同的，所以計算氣體時都以標準狀態下的溫度t=0℃，壓力P=101.33KPaabs時的體積狀態下來計算。在計算孔板時，操作狀態下和標準狀態下的體積換算公式為：

Q為操作狀態下的的體積流量；

Q0為標準狀態下的體積流量

T為操作溫度

T0為標準溫度

P為操作壓力

P0為標準壓力

Z為壓縮系數，5MPa以下氣體近似為1，所以一般可以忽略。

操作狀態下的氣體密度和標準狀態下的氣體密度換算公式為：

ρ為操作狀態下的氣體密度

ρ0為標準狀態下的氣體密度

孔板的計算公式為：

K為流量系數

Δp為差壓

最終導出公為：

特別要注意：

公式中T設和P設都是標況下的溫度和壓力。T測和P測是工況下的溫度和壓力。

可見，當氣體的實際工況與設計工況相同時，流量計的示值與實際值相符（僅與差壓有關），當實際工況偏離設計工況時，實際流量還會隨著溫度、壓力的變化而變化。例如，壓力變化25％，流量就會相差50％，可見誤差極大。因此，氣體流量測量必須進行溫壓補償。

以下舉例對蒸汽流量測量溫壓補償進行說明例：蒸氣流量，設計壓力p0=0.6MPa，設計溫度T0=240℃，當溫度、壓力發生變化：即實際壓力p1=0.65MPa，實際溫度T1=250℃時，假設未經溫壓補償時其顯示的流量為5t/h，那么經溫壓補償后其流量：

Q=5*SQRT{（273.15+240）*（0.65+0.1）/(273.15+250)*(0.6+0.1)}

計算得出：Q=5.25t/h

其相對誤差Δ=4.8%，可見誤差較大。因此在實際生產中，當要計量的蒸汽流量受溫度、壓力的影響很大時，其體積流量的計量必須進行溫壓補償。而通常解決的方法是采用分離式補償，即為測量系統增設溫度傳感器和壓力傳感器，在二次表或DCS中通過溫壓補償，從而計算出實際溫度、壓力下的流量，大大提高了計量的準確性。

2.4孔板流量計安裝

孔板流量計的正確安裝是儀表能夠準確計量的前提，節流裝置安裝時要注意節流件開孔必須與管道同軸，節流件方向不能裝反。管道內部不得有突出物。孔板流量計必須要有足夠的前后直管段，前后直管段內不能有溫度等測量元件或開設其他測壓口，測量氣體時，取壓口要在管道上部，為了防止氣體中出現帶液現象，引壓管線要始終保持一個朝上的角度。如果是蒸汽測量，取壓口最好是90°平行引出，經過冷凝灌后垂直朝下。

三、渦街流量儀表的溫壓補償

3.1渦街流量計介紹

渦街流量計的測量原理不同于孔板，各有特色。某些說明書特別指出，本流量計不受密度影響。有些用戶可能認為，采用此類流量計不用進行溫壓補償了。其實不然，使用此類流量計測量氣體，同樣存在溫壓補償問題。例如渦街流量計，通過檢測渦街頻率f，根據f與流速v成正比而求得氣體的體積流量。其f與v的關系式為：

式中：d為漩渦發生體迎著流向的寬度；D為管道內徑；Sr為斯特勞哈爾常數。

從公式本身看，流體的體積流量與密度無關。但渦街流量計所檢測到的體積流量是工作狀態下的流量q。而儀表的標尺是應與標準狀態下的流量為刻度的。它們之間的換算關系式就是前面推得的式為：

由此可見，雖然原理表達式中流量與密度無關，但是刻度的換算公式中卻含有密度。因此，用此類儀表進行氣體流量測量時，同樣存在溫壓補償問題，只是補償公式不同而已。否則，儀表的示值就不能反映真實流量，其誤差也是很大的。

3.2渦街流量計測量公式推導

根據公式:

可見，渦街流量計的刻度值和密度相關。

根據氣體方程：PV=nRT

nR=PV/T

對于理想氣體n和R是恒定的值

所以：

進而推得：

式中P工是工況下測量的壓力，如果氣體測量的測量變送器輸出是表壓，則需要在測量結果的基礎上加標準大氣壓1.013*105帕，V工為工況下的體積流量，一般單位為M3/h，T標為標況下的溫度，一般0℃(273.15K)，T工為工況下的測量溫度，一般是測量值加273.15，單位為K，P標為標準大氣壓1.013*105帕。

工業測量是一般使用簡化公式：

標況流量=k*工況流量*P*273.15/(t+273.15)

式中k壓縮系數，5MPa以下氣體近似=1

P為絕對壓力，單位公斤力每平方厘米

從公式中可以看出，溫度變化1℃影響只有近300分之一，因此溫度變化影響比較小，一般有些計量可以粗略的簡化為：

標況流量=工況流量*（壓力+1）

所以渦街流量計在測量時，一般工況流量除以氣體絕對壓力，就可以估算出標況下的流量來。

3.3渦街溫壓固態補償

渦街流量計一般很少有自帶溫度和壓力傳感器，實現內部補償的。但是渦街流量計一般都有補償模塊，可以把操作壓力和操作溫度輸入儀表內部，儀表通過計算，輸出標立流量。但是這種補償是固態的，如果壓力和溫度不穩定或者輸入數值有誤差，就會造成儀表輸出的偏差。儀表出廠時，一般都是按照設計溫度和壓力輸入數據，這個數據很難保證和實際操作數據相同。所有，一般不推薦使用這種補償方式。

3.4渦街動態溫壓補償

動態補償就是在渦街流量計的前后安裝壓力和溫度傳感器，實時的測量傳送被測介質的壓力和溫度值，并把這個值送到DCS或者PLC中，通過和渦街流量計采集來的數值換算為標準狀態下的值來。成熟的DCS和PLC基本都有溫壓補償的數據模塊，直接輸入溫度和壓力數值即可，而不用再去寫補償計算公式。但是特別要注意的是，大部分控制系統的補償模塊是對應孔板的，是按照國家標準GB/T2624-93對孔板的補償公式，而非渦街補償公式。渦街的補償和孔板是完全不一樣的，必須在系統中重新計算。在儀表組態時，儀表輸出選擇工況模式，輸出為立方，儀表量程和DCS量程要對應，DCS量程也需要寫為立方。DCS接收的數據，再次經過

標況流量=k*工況流量*P*273.15/(t+273.15)

補償公式計算，輸出數值才是真實的標況值。

3.5渦街流量計的正確安裝

渦街流量計的準確測量和正確安裝是密不可分的，在安裝時一定要按照SH/T3521-2007規范來安裝。只有在正確的安裝下和滿足測量的工藝條件下，才能保證準確的計量。下圖為施工規范標準推薦的溫壓補償安裝方案。首先確保渦街流量計前后的直管斷；其次壓力傳感器要在渦街之前，溫度傳感器在渦街滯后，確保渦街流量計前后的直管段；再次，渦街流量計周圍不能有震動和電磁干擾。

渦街流量計是近幾年流行的測量儀表，安裝方便、價格適中、測量準確。大量的用于氣體測量中，正確的安裝和溫度補償對測量非常重要。

四、結束語

氣體流量測量普遍存在溫壓補償問題，這是由氣體的特性所確定了的。因此，在氣體流量測量系統中，溫壓補償是其中一個不可缺少的環節。若缺少這一環節，或不給于應有的重視，就會給測量帶來誤差甚至錯誤。

五、參考文獻

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作者介紹：

何龍：男，1978年9月出生，自控工程師，就職于中國石化濟南分公司，從事技術管理工作。曾在北大核心期刊發表論文3篇，國家一級期刊發表論文4篇。