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境，當溫度和壓力與設計工況發生偏移時，如何對測量結果進行修正。

關鍵詞：瓦斯抽放；溫度補償；壓力補償

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0244-02

開放科學（資源服務）標識碼（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果誤差的增大，所以需要對測量結果進行修正[1]。現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、壓力有對應關系，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據，根據被測氣體當時工況溫度、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、流量狀態的換算公式以及氣體狀態方程推導出氣體測量時溫壓補償公式。

2 溫壓補償公式推導

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；ε為可膨脹性系數；D為管道的直徑，m；ρ為被測氣體的密度kg/m3 ；Δp為節流件前后差壓Pa。

用差壓式流量計測量氣體流量時，當被測氣體的實際參數（溫度、壓力）與設計的參數不一致時，其流出系數C、可膨脹性系數ε、孔徑D，密度ρ等值都會改變，影響流量計測量結果的準確性。如果溫度、壓力偏離設計太多，應重新計算差壓與流量之間的關系。當溫度和壓力與設計時采用的值偏差不大，對流出系數C、可膨脹性系數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的方式對流量測量結果進行修正[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準狀態下，即溫度t=0℃（或20℃），壓力P=101.33kPa即標準大氣壓時的體積來計算[4]。上式為工作狀態下的氣體體積流量，因此工作狀態下所得的體積還需換到標準狀態，其換算公式可由氣體狀態方程PV=ZRT（R為常數1）推導得出：

式中：q 為工作狀態下的氣體體積流量，qn 為標準狀態下的氣體體積流量，T為工作狀態下氣體溫度，Tn為標準狀態溫度，P為工作狀態下的氣體壓力，Pn為標準大氣壓，Z為壓縮系數[5]。

通常在低壓下，氣體壓縮系數Z變化非常小，故忽略其影響，則（3）式可簡化為：

工作狀態下的氣體密度和標準狀態下的氣體密度也可以換算，其換算公式可由質量守恒定律得出：

式中ρ， ρn分別為工作狀態和標準狀態下的氣體密度。

將（4）、（5）帶人（2）式，得

當實際的工作條件偏離節流裝置設計時的條件時，節流裝置測得的氣體流量需要進行修正。設qn設為設計條件時的氣體標準體積流量，帶人（6）式

設qn實為實際工作條件時的氣體標準體積流量，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補償公式應用

對于溫壓補償公式在應用時，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，設計最大流量為800m3/min，設計溫度為20℃，設計壓力為10kPa（表壓），煤礦現場大氣壓為92kPa，現差壓變送器開方后指示為50%，溫度顯示25℃，現場表壓為40kPa，則現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，應將當地大氣壓減去表壓力，并非一定是標準大氣壓，因各地大氣壓不完全與標準大氣壓一致，必須要了解流量計使用地點的大氣壓力。

4 結束語

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

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【通聯編輯：朱寶貴】