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孔板流量计计算系统软件的设计及实现


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? 计量与测试技术# 2009 年第 36 卷第 11 期

孔板流量计计算系统软件的设计及实现
The Orif ice Flowmeter Calculation System of Sof tware Design and Implementation 张宋强 卓


华 宋长亮

/>
( 新疆计量测试研究 院, 新疆 乌鲁木齐 830011)
要: 本文根据孔板差压流量计的结构和测温原理, 探讨了运用 Delphi 语言设计计算软件包, 从而实现快速准确的数据处理。

关键词: 天然气计量; Delph i 语言; 数据处理

天然气作为重要的能源, 在国民经济建设和人民生 活中发挥着越来重要的作用。特别是随着天然气工业的 快速发展和西气东输工程的顺利实施, 目前我国天然气 年产量已达几百亿立方米。作为大宗贸易商品的天然气 的准确计量, 开始受到社会各界的广泛关注。 天然气的计量在我国以体积计量为主, 并且以孔板 差压式流量计作为计量天然气流量的主要手段, 具有结 构简单、 制造容易, 安装、 使用和维护都很方便, 可靠性高 的特点。 1 孔板差压流量计的结构和测量原理 差压式流量计是利用流体经节流装置缩产生的压力 差来实现流量检测的。在工艺管道上安装一个直径比管 件小的固定阻力件。当流体流过该阻力件的小孔时, 由 于流体流通截面的突然缩小, 流束必然产生局部收缩而 使得流速加快、 静压力降低, 其结果是在阻力件前后产生 一个较大的静压差。它与流量( 流速) 的大小有关, 流量 越大, 差压越大, 因此 只要测量出压差就可以推算 出流 量。把流体流过阻力件流束的收缩造成压力变化的过程 称为节流过程, 其中的阻力件称为节流件。 差压式流量计组成框图如图 1 所示:

连续性方程( 质量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定 律) 导出。设被测流体为不可压缩的理想流体( 液体) , 根 据伯努利方程, 对截面 I- I、 以下能量关系: 处沿管中心的流体有

图2

P

1 1

+

v2 1 2

=

P

2 2

+

v2 2 2

( 1)

P1= P 2= p
图1

节流装置用于安装于管道中产生差压, 节流件前后 的差压与流量成开方关系。引压导管用于取节流装置前 后产生的差压, 传送给差压变送器。差压变送器将产生 的差压转换为标准电信号( 4- 20mA) 测量原理如图 2 所示。 当流体流经管道内的节流件时, 流速将在节流件处 形成局部收缩, 因而流速增加, 静压力降低, 于是在节流 件前后便产生了压差。流体流量愈大, 产生的压差愈大, 这样可依据压差来衡量流量的大小。 差压流量计的测量方程式可通过流体力学中的流体

P V 12 P V 22 = P 2+ 2 2 式中: p 1 、 1 ! 截 面 I - I 处 的 压 力和 速 度; P 2 、 v P 1+ v 1 ! 截面 处的压力和速度。 A2 v A1 2 根据流体的连续性方程得 A 1 v 1= A 2 v 2 代入式( 1) 得 2( P 1 - P 2 ) A2 2 1A1 根据体积流量的定义, 我们可以得到截面积 v 2= 2 上体积流量与差压间的理论公式: v 1=

-

张宋强等: 孔板流量计计算系统软件的设计及实 现

11 式中: d ; d 按公式( 8) 计算; D R eD ! 管径雷诺数; L 1 ! 孔板上游端面到上游取压孔的 ! 直径比; =

2 ( P 1- P 2) ( 2) A2 2 1A1 A 2 代表流束最小收缩截面, 用孔板的开孔截面 A 0 代 qm = A 2 v 2 = A
2

替。对式( 2) 用一个无量纲数 C 修正, C 称为流出系数 q m = CA 0 2 ( P 1- P2) = 4 1C 14

A

0

2

P

d = D 上式为针对不可压缩的理想流 体而得出的流 量公 式。对于可压缩流体( 如各种气体、 蒸汽) 流过节流装置 时, 压力发生改变必然引起密度的改变, 因此对于可压缩 流体上式应引入气体可膨胀系数, 则式变为: 差压式流量计的流量公式: qm = qv = 根据: 1 11 11=

l1 ; L ! 孔板下游端面到 D 2 l2 下游取压孔的距离除以测量管内径得出的商, L 2= D 。 25 4 当间距符合法兰取压方式时, L 1 = L 2 = D 当间距符合角度接取压方式: L 1 = L 2 = 0 距离以测量管内径得出的商, L 1 = D 值的单位为毫米 2 3 渐进速度系数 E 按下式计算: 1 E= 1- 4 2 4 孔板开孔直径 d 值按下式计算: d = d 20 [ 1+ A 4 ( t - t 20 ) ]

( 7)

( 8)

C! 0 A 4 C! 0 A 4

2 2
1

1

P ( 3)

式中: d 20 ! 20 % & 2 % 条件下 孔板开 孔检测 直径, mm; A d ! 孔板材料的线膨胀系数, mm/ ( m m? % ) , 查表; t ! 天然气流过节流装置时实测之气流温度, % ; t 20 ! 检 测时室内温度, % ( 20 % & 2 % ) 。 2 5 相对密度系数 F G 是在天然气流量实用方程推导 过程中定义的一个系数, 其值按下式计算 1 GT 2 6 可膨胀性系数 FG = ! 1- ( 0 41+ 0 35 4 ) = ( 9)

M aZ nP 1 G r ( 4) RZaZ 1 T 式中: G r ! 标准状态 下的天然气的正式相对密度; Z a ! 干空气在标准状态下的压缩因子; Z n ! 天然气在标 准状态 下的 压缩 因子; M a ! 干空 气的 相对 分子 质量; R ! 通用气体常数。 根据公式( 3) ( 4) , 整理后得到天然气标准体积流量 计算公式为: Q n = A sCEd 2 F G ! ZF T F P1 P
3

( 5)

P ( 10) 106 p 1 k 2 7 天然气超压缩因子 F 2 是因天然气特性偏离理想 气体定律而导出的修正系数, 其定义式为: Zn ( 11) Z1 式中: Zn ! 天然气在标准状态下的压缩因子; Z 1 ! FZ = 天然气在流动状态下的压缩因子。 2 8 流动温度系数 F T 式因天然气温流经节流装置时, 气流的平 均热力 学温 度 T 偏离 标准 状 态热 力学 温度 ( 293 15K) 而导出的修正系数, 其值按下式计算: 293 15 T 式中: T = t + 273 15, t 含义同公式( 8) 。 FT = ( 12)

式中: Q n ! 标准状态下天然气体积流量, m / s; A s ! 秒计量系数, 视采用计量 单位而定; C ! 流出 系数; E ! 渐进速度系 数; d ! 孔板开 孔直径, mm; F G ! 相对密 度 系数; !! 可膨胀性系数; FZ ! 超压缩因子; FT ! 流动温 度系 数; P 1 ! 孔板 上游 侧取压 孔气流 绝对静 压, MP a; p ! 气流流经孔板时产生的差压, Pa。 2 流量计算和系数参数确定 从流量基本方程式可以看出, 要根据差压 值, 是一项很重要的工作。 2 1 按公式( 5) 和标准的附录有关规定计算天然气流量 值 Q n。 2 2 流出系数 C 按下式计算
2 1 8 2 5

p 计算

流量, 必须还要确定有关各种参数, 准确的确定各项参数

2 9 气流绝对压力 P 1 为天然气流经节流装置时, 在孔 板上游测取压孔实测的绝对压力值, 其值可用绝对压力 计实测, 也可按下式计算: P1= P 2+ Pa P a ! 当地大气压值, MPa。 ( 下转第 14 页) ( 13)

C = 0 5959 + 0 0312 - 0 1840 + 0 0029 10 0 75 + 0 0900 L 1 4 ( 1- 4 ) - 1 - 0 0337L 2 ( 3 ) ( 6) R eD 0 0390 当 L1 ? 时, 0 0900
4

式中: P 1 ! 孔 板上 游测 取压 孔实 测表 压值, M Pa;

( 1-

4 - 1

)

的系数用 0 0390。

14 ?重晶石矿石成份分析标准物质研制#项目的候选物 采自国内五个矿区的七件样品。样品经过均匀性 检验 后, 经过中国地质调查局八个矿产资源监督检测中心协
表5 样品 GSO - 1 GSO - 2 GSO - 3 GSO - 4 GSO - 5 GSO - 6 GSO - 7 Cu 推荐值 109 3 12 6 62 41 0 125 1400 9 86 ( 10- 6 ) 测定值 108 2 2 98 6 40 41 7 127 1390 10 1 RE % 0 73 4 49 3 32 1 71 1 60 0 71 2 43 Pb 推荐值 21 6 14 1 12 0 13 6 14 2 4300 15 1

? 计量与测试技术# 2009 年第 36 卷第 11 期

作定值, 确定 Cu、 Zn 的推荐 值( 待定为 标准物质) 。 Pb、 标准溶液基体匹配法对 7 个样品的测定值与推荐值吻合 ( 相对误差 0 31% - 4 49% ) 。该方法准确度见表 5。
( 10- 6 ) 测定值 21 2 14 5 11 7 13 2 13 7 4250 14 5 RE % 1 85 2 84 2 50 3 03 3 52 1 16 3 97 Zn 推荐值 23 1 5 94 12 4 5 38 27 5 38300 37 3 ( 10- 6 ) 测定值 22 5 5 82 11 9 5 47 26 8 38180 36 8 RE % 2 6 2 02 4 03 1 67 2 55 0 31 1 34

基体匹配法的准确度

4 结束语 重晶石矿石标准物质 Cu、 Zn 定值, 采用电感耦 Pb、 合等离子体发射光谱分析方法, 施行基体匹配, 很好的解 决了背景干扰, 对已知 BaSO4 含量的不同种类重晶石试 样中 Cu、 Zn 的测定, 结果准确、 Pb、 可靠。
参考文献 [ 1] 岩石矿物分析第三分册( 第三版) . 地质出版社, 1991 年. [ 2] 岩石和矿石分析规程第二分册. 地质出版社, 1993 年. [ 3] 区域地球化学勘察样品分析方法. 地质出版社, 2004: 29~ 45. [ 4] 李东, 赵军. ICP- A ES 法测定磷矿石中主量、 痕量成分[ J] . 光谱学

与光谱分析, 2001, 21( 2) : 431- 432. [ 5] 王龙山, 郝辉等. 偏硼酸锂容矿- 超声提取- 电感耦合等离子 体发 射光谱法测定岩石水系沉积物土壤样品中硅铝铁等 10 种元 素[ J] . 岩 矿测 试, 2008, 27( 4) : 287- 290. [ 6] 美国热电公司. 电感耦合等离子体发射光谱培训教程[ Z] . 48- 53. [ 7] 冯静等. ?重晶 石矿石 成份分 析标准 物质研 制# 成 果报告 ( 内部 资 料) . 2007: 43- 50. 作者简介: 崔德松, 男, 高级工程师。工 作单位: 沈阳地质 矿产研究 所。 通 讯地址: 110032 辽宁省沈阳市皇姑区北陵大街 26 号甲 3, 东北矿产资 源监 督检测中心。 收稿时间: 2009- 04- 08

( 上接第 11 页) 2 10 差压 P 应考 虑孔板两侧取 压点之间的任 何高 度, 使用差压直接测量, 单位为帕斯卡( Pa) 当节流装置水平安装时, 其值为: P= P 1 - P 2 3 编程语言 选用 Delphi 6 0 语言编写软件。Delphi 基于窗体和 面向对象的方法, 与 Window s 编程紧密结合, 在数据库 方面的特长显得尤为突出, 适应于多种数据库结构; Del phi 是全新的可视化编程环境, 为我们提供了一种方便、 快捷 的 Windows 应 用程 序开 发工具。它 使用 了 Win dow s 图形用户界面的许多先进特性和设计思想, 采用了 强大而成熟的组件技术实现了弹性可重复利用的完整的 面向对象程序。用它提供一个方便的操作界面, 便于人 机对话。提供强大的数据库, 利于存储、 处理大量的数据。 并用时间控件定时读取数据。在数据处理方面, 它可以通 过程序, 迅速处理数据, 并把结果显示在界面上。 4 计算系统软件包的实现 根据孔板流量计的计算原理, 要实现对流量的计算, 数据处理计算量大, 人工计算要 耗费很多时间, 效 率较 低, 且数据计算、 修约等处理过称中极易出现差错, 导致 最后计算结果的 失误, 鉴于 这些原因, 我们利 用 Delphi ( 14)

语言编写了一个计算程 序来实现其计算过程, 快捷、 方 便、 准确度高, 特别是现场校验时, 能很快就知道现场校 验的流量与理论流量是否相符, 有多大的误差, 这个计算 软件的优势就凸显出来了。 在实际工作中我们需计算出环境温度时的测量管内 径 D、 孔板开孔直径 d 、 直径比 、 相对密度 G r 、 查表计 算得到等熵指数 k 、 动力粘度 ?1 这六个参数的计算过程 60 余次, 查表 20 余次, 用时 2h 左右。利用 Delphi 语言 编写的程序每次只需把测量的已知数据输入进去, 点( 计 算)按钮, 就能在不到 1 秒的时间内在结果栏里准确的显 示计算结果, 由于孔板流量计的计算原理是一样的, 所以 每次只需把测量的数值输入到( 需要输入的数据)编辑框 内, 直接点( 运算)按钮就可以在计算结果栏里显示出计 算结果。 从整个过程中就能看出, 用 Delphi 语言编写的孔板 流量计流量计算程序实用、 方便、 快捷、 准确。能够减轻 大量繁杂的人工计算过程, 有效提高工作效率和结果的 有效性。
作者简介: 张宋强, 男, 高级工程师。工 作单位: 新疆计量 测试研究 院。 通 讯地址: 830011 新疆乌鲁木齐市北京南路 40 号附 9 号。 卓华, 宋长亮, 新疆计量测试研究院( 乌鲁木齐 830011) 。 收稿时间: 2009- 05- 26


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