非标刻度气体转子流量计的流量换算

1 引言

    气体转子流量计是以某种气体为介质按一定状态下的标况体积流量来刻度的（对于玻璃转子流量计刻度的是表示刻度条件下标况流量的刻度标尺，对于金属转子流量计刻度的是表示刻度条件下标况流量的模拟或数字输出信号）。如果被测介质和实际工况与刻度时的介质和工作状态一致，转子流量计的刻度输出就是实际测得的标况体积流量，不需要换算。但是，由于实际测量时气体介质或工作状态与刻度时不同，转子在测量管中的同一位置所代表的流量值和刻度时是不同的，要想正确使用气体转子流量计，就必须知道它们之间的流量换算关系。

    在国际上，气体转子流量计通常是以空气为介质按标准状态下的标况体积流量来进行刻度的。但是国际上对标准状态的定义有两种：国内通常采用101.325kPa、20℃（293.15K）；国外通常采用101.325kPa、0℃（273.15K）。在这种标准刻度情况下的流量换算在JJG25721994《转子流量计检定规程》[1]以及大多参考书上都有详细介绍。但是，在某些情况下，气体转子流量计并不是按以上标准来刻度的，比如：

    ①刻度介质不是空气；    

    ②刻度状态不是标准状态；

    ③以用户实际测量的气体按实际工况下的标况体积流量来进行刻度（国外进口的转子流量计居多）；

    ④有时采用一种气体介质（比如空气）进行刻度，而实际使用的介质是另一种气体（如氮气、氧气、二氧化氮等）。

    下面主要介绍在这些非标刻度情况下标况流量的换算。    

    2 气体转子流量计的工作原理

    转子流量计是以转子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称浮子流量计。气体转子流量计的基本流量方程式为[2，3]：

    式中：Q———气体体积流量，m3/h；CR———流量系数，与流体的流动形态和转子的形状等因素有关；AR———转子与锥形管间的环形面积，m2；Af———转子的最大截面积，m2；g———重力加速度，9.81m/s2； Vf———转子的体积，m3；ρf———转子的密度，kg/m3；ρ———被测介质的密度，kg/m3。

    对于同一个气体转子流量计，在同一刻度下，由式（1）可得两种气体的流量关系为：

    式中：Q1———第一种气体的体积流量，m3/h；Q2———第二种气体的体积流量，m3/h；ρ1———第一种气体的密度，kg/m3；ρ2———第二种气体的密度，kg/m3。

    由于ρf>>ρ1，ρf>>ρ2，式（2）可简化为：

    3 非标刻度气体转子流量计的流量换算

    考虑到普遍适应性，假设气体转子流量计是以某种气体为介质（密度为ρC）按某一状态（压力为PC，温度为TC）下的标况体积流量来刻度的。仪表输出为刻度状态下的标况流量，即：    

    式中：QCN———刻度气体在刻度状态下的标况流量，Nm3/h；QC———刻度气体在刻度状态下的工况流量，m3/h；PC———刻度状态下的绝对压力，kPa；PN———标准状态下的绝对压力，101.325kPa；TC———刻度状态下的绝对温度，K；TN———标准状态下的绝对温度，国内293.15K，国外273.15K。

    由式（4）转换为刻度状态下的工况流量为：

    由式（3）和式（5）得被测气体在工作状态下的工况流量为：

    式中：Q———被测气体在工作状态下的工况流量，m3/h；ρ———被测气体在工作状态下的密度，kg/m3。

    由式（6）可得被测气体在工作状态下的标况流量为：

    式中：QN———被测气体在工作状态下的标况流量，Nm3/h；P———被测气体在工作状态下的绝对压力，kPa；T———被测气体在工作状态下的绝对温度，K。

    由气体状态方程（被测气体不一定与刻度气体是同种气体），可得：

    式中：ρN———被测气体在标准状态下的密度，kg/m3；ρCN———刻度气体在标准状态下的密度，kg/m3。

    由式（7）和式（8）得被测气体在工作状态下的标况流量为：

    如果被测气体与刻度气体为同一气体，则

    4 两种标准状态的流量换算

    对于国产仪表，由于国内标准状态通常采用101.325kPa、20℃，由式（9）得被测气体在工作状态下的国内标况流量为：    

    式中：QN20——被测气体在工作状态下的标况流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h；QCN20———刻度气体在刻度状态下的标况流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h。

    如果被测气体与刻度气体为同一气体，由式（11）得：

    对于进口仪表，由于国外标准状态通常采用101.325kPa、0℃，由式（9）得被测气体在工作状态下的标况（101.325kPa、0℃）流量为：

    式中：QN0———被测气体在工作状态下的标况流量（101.325kPa、0℃），Nm3/h；QCN0———刻度气体在刻度状态下的标况流量（101.325kPa、20℃），Nm3/h。

    对于进口仪表，在国内使用时，通常还需将被测气体在工作状态下的标况流量从标准状态（101.325kPa、0℃）转换成标准状态（101.325kPa、20℃）：    

    如果被测气体与刻度气体为同一气体，由式（11）得：

    5 应用举例    

    某进口气体转子流量计是以二氧化氮为介质按800kPa（表压）、50℃的刻度状态下的标况（101.325kPa、0℃）体积流量QCN0来刻度的。现在用来测量氮气在工作状态下（P，T）的标况（101.325kPa、20℃）流量QN20。

    这里刻度状态为：PC=800+101.325kPa，TC=50+273.15K。

    查表可得：

    二氧化氮在标准状态（101.325kPa、0℃）下的密度ρCN0=1.997kg/m3，

    氮气在标准状态（101.325kPa、0℃）下的密度ρN0=1.25kg/m3，

    由式（15）可得氮气在工作状态下（P，T）的标况（101.325kPa、20℃）流量为：

    6 结束语

    熟练掌握气体转子流量计的流量换算对正确选表和用表至关重要。在国际上，气体转子流量计通常是以空气为介质按标准状态下的标况体积流量来进行刻度的。但是，当气体转子流量计采用非标刻度时，必须采用相应的换算公式进行密度、温度、压力三参数的修正，才能得到被测气体在工作状态下的标况流量。对于进口仪表，还要注意国内外标准状态的定义不同，必须换算到国内标准状态。

    参考文献：

    [1]　JJG25721994，转子流量计检定规程[S].北京：中国计量出版社，1994.
    [2]　盛克仁.过程测量仪表[M].北京：化学工业出版社，2001.
    [3]　王志奎.转子流量计气体流量校正公式的推导和讨论[J].化工自动化及仪表，1999，26（6）：54-56.