非標(biāo)刻度氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量換算

1 引言

    氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)是以某種氣體為介質(zhì)按一定狀態(tài)下的標(biāo)況體積流量來刻度的（對于玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)刻度的是表示刻度條件下標(biāo)況流量的刻度標(biāo)尺，對于金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)刻度的是表示刻度條件下標(biāo)況流量的模擬或數(shù)字輸出信號）。如果被測介質(zhì)和實(shí)際工況與刻度時的介質(zhì)和工作狀態(tài)一致，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度輸出就是實(shí)際測得的標(biāo)況體積流量，不需要換算。但是，由于實(shí)際測量時氣體介質(zhì)或工作狀態(tài)與刻度時不同，轉(zhuǎn)子在測量管中的同一位置所代表的流量值和刻度時是不同的，要想正確使用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)，就必須知道它們之間的流量換算關(guān)系。

    在國際上，氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)通常是以空氣為介質(zhì)按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)況體積流量來進(jìn)行刻度的。但是國際上對標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的定義有兩種：國內(nèi)通常采用101.325kPa、20℃（293.15K）；國外通常采用101.325kPa、0℃（273.15K）。在這種標(biāo)準(zhǔn)刻度情況下的流量換算在JJG25721994《轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定規(guī)程》[1]以及大多參考書上都有詳細(xì)介紹。但是，在某些情況下，氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)并不是按以上標(biāo)準(zhǔn)來刻度的，比如：

    ①刻度介質(zhì)不是空氣；    

    ②刻度狀態(tài)不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；

    ③以用戶實(shí)際測量的氣體按實(shí)際工況下的標(biāo)況體積流量來進(jìn)行刻度（國外進(jìn)口的轉(zhuǎn)子流量計(jì)居多）；

    ④有時采用一種氣體介質(zhì)（比如空氣）進(jìn)行刻度，而實(shí)際使用的介質(zhì)是另一種氣體（如氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化氮等）?/p>

    下面主要介紹在這些非標(biāo)刻度情況下標(biāo)況流量的換算。    

    2 氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理

    轉(zhuǎn)子流量計(jì)是以轉(zhuǎn)子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測量的體積流量儀表，又稱浮子流量計(jì)。氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的基本流量方程式為[2，3]：

    式中：Q———氣體體積流量，m3/h；CR———流量系數(shù)，與流體的流動形態(tài)和轉(zhuǎn)子的形狀等因素有關(guān)；AR———轉(zhuǎn)子與錐形管間的環(huán)形面積，m2；Af———轉(zhuǎn)子的最大截面積，m2；g———重力加速度，9.81m/s2； Vf———轉(zhuǎn)子的體積，m3；ρf———轉(zhuǎn)子的密度，kg/m3；ρ———被測介質(zhì)的密度，kg/m3。

    對于同一個氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)，在同一刻度下，由式（1）可得兩種氣體的流量關(guān)系為：

    式中：Q1———第一種氣體的體積流量，m3/h；Q2———第二種氣體的體積流量，m3/h；ρ1———第一種氣體的密度，kg/m3；ρ2———第二種氣體的密度，kg/m3。

    由于ρf>>ρ1，ρf>>ρ2，式（2）可簡化為：

    3 非標(biāo)刻度氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量換算

    考慮到普遍適應(yīng)性，假設(shè)氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)是以某種氣體為介質(zhì)（密度為ρC）按某一狀態(tài)（壓力為PC，溫度為TC）下的標(biāo)況體積流量來刻度的。儀表輸出為刻度狀態(tài)下的標(biāo)況流量，即：    

    式中：QCN———刻度氣體在刻度狀態(tài)下的標(biāo)況流量，Nm3/h；QC———刻度氣體在刻度狀態(tài)下的工況流量，m3/h；PC———刻度狀態(tài)下的絕對壓力，kPa；PN———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力，101.325kPa；TC———刻度狀態(tài)下的絕對溫度，K；TN———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度，國內(nèi)293.15K，國外273.15K。

    由式（4）轉(zhuǎn)換為刻度狀態(tài)下的工況流量為：

    由式（3）和式（5）得被測氣體在工作狀態(tài)下的工況流量為：

    式中：Q———被測氣體在工作狀態(tài)下的工況流量，m3/h；ρ———被測氣體在工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。

    由式（6）可得被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量為：

    式中：QN———被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量，Nm3/h；P———被測氣體在工作狀態(tài)下的絕對壓力，kPa；T———被測氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度，K。

    由氣體狀態(tài)方程（被測氣體不一定與刻度氣體是同種氣體），可得：

    式中：ρN———被測氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3；ρCN———刻度氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3。

    由式（7）和式（8）得被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量為：

    如果被測氣體與刻度氣體為同一氣體，則

    4 兩種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的流量換算

    對于國產(chǎn)儀表，由于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)通常采用101.325kPa、20℃，由式（9）得被測氣體在工作狀態(tài)下的國內(nèi)標(biāo)況流量為：    

    式中：QN20——被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h；QCN20———刻度氣體在刻度狀態(tài)下的標(biāo)況流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h。

    如果被測氣體與刻度氣體為同一氣體，由式（11）得：

    對于進(jìn)口儀表，由于國外標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)通常采用101.325kPa、0℃，由式（9）得被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況（101.325kPa、0℃）流量為：

    式中：QN0———被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量（101.325kPa、0℃），Nm3/h；QCN0———刻度氣體在刻度狀態(tài)下的標(biāo)況流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h。

    對于進(jìn)口儀表，在國內(nèi)使用時，通常還需將被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量從標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.325kPa、0℃）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.325kPa、20℃）：    

    如果被測氣體與刻度氣體為同一氣體，由式（11）得：

    5 應(yīng)用舉例    

    某進(jìn)口氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)是以二氧化氮為介質(zhì)按800kPa（表壓）、50℃的刻度狀態(tài)下的標(biāo)況（101.325kPa、0℃）體積流量QCN0來刻度的?，F(xiàn)在用來測量氮?dú)庠诠ぷ鳡顟B(tài)下（P，T）的標(biāo)況（101.325kPa、20℃）流量QN20。

    這里刻度狀態(tài)為：PC=800+101.325kPa，TC=50+273.15K。

    查表可得：

    二氧化氮在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.325kPa、0℃）下的密度ρCN0=1.997kg/m3，

    氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.325kPa、0℃）下的密度ρN0=1.25kg/m3，

    由式（15）可得氮?dú)庠诠ぷ鳡顟B(tài)下（P，T）的標(biāo)況（101.325kPa、20℃）流量為：

    6 結(jié)束語

    熟練掌握氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量換算對正確選表和用表至關(guān)重要。在國際上，氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)通常是以空氣為介質(zhì)按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)況體積流量來進(jìn)行刻度的。但是，當(dāng)氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用非標(biāo)刻度時，必須采用相應(yīng)的換算公式進(jìn)行密度、溫度、壓力三參數(shù)的修正，才能得到被測氣體在工作狀態(tài)下的標(biāo)況流量。對于進(jìn)口儀表，還要注意國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的定義不同，必須換算到國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]　JJG25721994，轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，1994.
    [2]　盛克仁.過程測量儀表[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.
    [3]　王志奎.轉(zhuǎn)子流量計(jì)氣體流量校正公式的推導(dǎo)和討論[J].化工自動化及儀表，1999，26（6）：54-56.