基于IAPWS2IF97的高精度蒸汽流量仪表的研制

　　0　引　　言

　　当前多数智能仪表都采取了一定的流量补偿技术,但补偿的数学模型建立过程考虑并不十分周全,计量的准确性仍然不高。本文针对这一情况,在蒸汽流量的测量中,以传统的流量计量补偿思想为基础,利用MSP430单片机开发了以水和蒸汽热力学工业公式IAPWS2IF97为核心的计算软件包,使得在工况大范围变化时,流量计的补偿精度仍具有较大的提高。同时由于该型号单片机具有丰富的低功耗模式和强大的运算能力,不仅提高了补偿的精度,而且降低了成本。

　　1　蒸汽流量测量及密度补偿方法分析

　　差压式流量计是目前计量蒸汽流量的主要仪表,其流量是依据《GB/T 2624293流量测量节流装置,用孔板、喷嘴和文丘里管测充满圆管的流体流量》中的数学模型进行计算。当蒸汽工况发生改变时,我们应根据蒸汽密度进行流量补偿,进行蒸汽流量的密度补偿必须实时检测出蒸汽的密度。

　　工程上应用的水蒸汽大多处于刚刚脱离液态或离液态较近,它的性质与理想气体大不相同,应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复杂的多,故不能用简单的数学式加以描述。目前,智能仪表中常用的水蒸汽密度的确定方法主要有如下几种。

　　1.1　查表法

　　把水蒸汽密度表置入仪表中,根据工况的温度、压力从表中查出相应的密度值。此种方法能够得到很高的补偿精度,但是数据量巨大,需要占用大量的存储空间,应用数据表首先要判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽,再查不同的数据表;另外数据表的变量是有一定步长的非连续量,对于两点之间的数据,需经过数学内插处理获得,而二元函数的插值公式也不简单。

　　1.2　公式计算法

　　饱和水蒸汽密度是温度或压力的一元函数,即ρ=f(T)或ρ=f(P),在目前的智能仪表中通常根据量程和精度的需要,借助饱和水蒸汽密度表进行函数拟合,得到符合精度要求的解析式来计算饱和水蒸汽的密度。过热水蒸汽情况比较复杂,其密度为温度、压力的二元函数,即ρ=f(P,T),经过人们长期的探索,其解析式函数已有不少的研究成果,当前工程上常用的过热蒸汽密度

　　计算公式主要如下:

　　(1)实验拟合公式

　　计算过热水蒸汽的经验公式有很多,式(1)是文献[1]中给出的拟合公式:

　　式(1)在温度为200~570℃,压力为0.5~11.5 MPa范围内误差为±0.22%。

　　(2)乌卡诺维奇公式[2]

　　乌卡诺维奇状态方程如下:

　　乌卡诺维奇公式是拟合的比较好的公式,在250℃以内的过热蒸汽与数表有很好的符合程度(偏差在0.1%左右);在250~300℃范围,靠近饱和线附近偏差较大,可达1%;在300~350℃范围,靠近饱和线附近可达6%。由于公式比较简单,在250℃以内使用是比较好的。