基于IAPWS2IF97的高精度蒸汽流量仪表的研制2012-4-1717:00:25来源：兼职编辑点击率：1486字号:摘要:本文对现有蒸汽流量测量中的密度补偿方法进行了讨论,提出了一种采用水和蒸汽热力学工业公式IAPWS2IF97进行密度补偿的方法。开发了相关物性参数的计算软件包,设计了以MSP430F149单片机为核心的蒸汽流量计算仪,分析了其硬件结构和软件整体设计思想。实验表明,在工业常用水蒸汽范围内所得饱和蒸汽密度平均相对误差小于0.05%,过热蒸汽密度平均相对误差小于0.08%。该方法克服了传统蒸汽流量仪表补偿不能适应工况大范围变化或不能满足精度要求的缺陷,提高了测量的精度。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/T2624293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0.5~11.5MPa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。1.3IAPWS2IF97公式水和蒸汽热力学性质的新工业标准“IAPWS21997工业公式”,包括了计算水和蒸汽热力学性质的所有方程。该公式是水和蒸汽性质国际协会(IAPWS)于1997年在德国Erlange召开的年会上确认的国际标准。IAPWS2IF97公式将水和水蒸汽的不同状态分为5个区域,每个区都有不同的计算公式。工业上最常用的是压力低于16.65MPa,温度低于600℃范围的过热蒸汽和饱和蒸汽,属于IAPWS2IF97公式的第2区,因此我们只需利用2区提供的方程组进行计算即可。以下是文献[3]中给出的第2区计算蒸汽比容的公式:可见,应用式(8)只需安装有温度、压力变送器,不需要判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽就可以准确测量。对于确定是饱和蒸汽的场合,只需要测温或测压,利用IAPWS2IF97公式第4区中给出的方程组计算出饱和压力或饱和温度,再代入上述公式中,也可准确计算饱蒸汽密度。利用IAPWS2IF97计算的水和水蒸汽单相区(1-3区)比容的不确定性在0.05%左右[3],因此完全能够满足一般的工业计算要求的精度。目前已经有一些在PC机上利用IAPWS2IF97公式编制的计算蒸汽性质的软件[4]。2系统设计由以上分析可见,使用IAPWS2IF97公式不需要占用大量的内存空间,并且在工业常用范围(压力低于16.65MPa,温度低于600℃)内计算所得的蒸汽密度符合国际标准,是蒸汽密度补偿