熱式質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量管道煤氣的研制及標(biāo)定技術(shù)研討

管道煤氣流量計(jì)量的主要困難在于現(xiàn)有的計(jì)量?jī)x表存在著下限以下流量測(cè)量精度差或無(wú)法計(jì)量,從而引起小流量漏計(jì)問(wèn)題這是因?yàn)橐恍┯糜诠艿烂簹鉁y(cè)量的工業(yè)流量計(jì),由于其自身在工業(yè)中更多的應(yīng)用是在流程工業(yè)中,而流程工業(yè)中的流量都有一個(gè)變化的范圍.例如一個(gè)差壓式流量計(jì)(如彎管、內(nèi)文丘里管、阿牛巴流量計(jì)等)一般可測(cè)流量的上、下限比值僅為3:1,在下限以下的流量不能準(zhǔn)確計(jì)量或不能實(shí)現(xiàn)計(jì)量.用來(lái)測(cè)量煤氣流量比較成熟的儀表還有孔板流量計(jì),這種流量計(jì)是國(guó)際上惟一不用實(shí)流定標(biāo),可以通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)煤氣流量計(jì)量的儀表,而且我國(guó)也根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國(guó)的情況制定了自己的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不必實(shí)流標(biāo)定給推廣帶來(lái)了及大的方便,但要求使用時(shí)要嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,偏離標(biāo)準(zhǔn)要進(jìn)行修正的.不可知的偏離和安裝使用中存在的問(wèn)題,將會(huì)帶來(lái)很大的不確定性.另外一個(gè)問(wèn)題就是孔板流量計(jì)的量程范圍,按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只允許使用在3：1的量程范圍內(nèi),這又給測(cè)量流量變化范圍較大的管線煤氣帶來(lái)困難.目前渦街流量計(jì)也用于管道煤氣的測(cè)量,但渦街流量計(jì)對(duì)流速要求較嚴(yán)格,須保證6ms以上,低于6ms時(shí)儀表的準(zhǔn)確度無(wú)法確定,或者不指示流量,漏計(jì)現(xiàn)象更加明顯.近年來(lái),在液體測(cè)量上早已成熟應(yīng)用的超聲波流量計(jì),由于解決了換能器發(fā)射和接收效率轉(zhuǎn)低的技術(shù)難題,在管道煤氣計(jì)量中得到了一些應(yīng)用.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為測(cè)量和控制氣體質(zhì)量流量的新型儀表,在石油、化工、治金、電力等工業(yè)部門的煤氣、天然氣、預(yù)熱空氣和煙道氣的監(jiān)測(cè)中時(shí)有應(yīng)用,但性價(jià)比高.雖然熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在工業(yè)管道煤氣測(cè)量方面確有其他流量計(jì)不具備的優(yōu)點(diǎn),但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不十分普遍.本文針對(duì)這情況,根據(jù)傳熱學(xué)中的有關(guān)理論,基于恒溫式熱線測(cè)速儀的有關(guān)原理,開發(fā)研制了用于管道煤氣測(cè)量的熱式質(zhì)量流量計(jì),建立了這種流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定裝置.在這種流量計(jì)的標(biāo)定過(guò)程中,針對(duì)管道煤氣溫度不同導(dǎo)致的煤氣導(dǎo)熱系數(shù)變化嚴(yán)重而影響標(biāo)定結(jié)果等問(wèn)題,提出了一種補(bǔ)償方法。

 

1、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)熱線測(cè)速儀的有關(guān)原理,基于插入流體中的加熱元件與流動(dòng)的流體(氣體)之間的對(duì)流換熱原理構(gòu)成的.由傳熱學(xué)原理結(jié)合傳感器的結(jié)構(gòu)型式,可推導(dǎo)出該流量計(jì)的換熱方程式為

Q=KA/d/[B+C(pvd/u)n](Tw-Tf)

式中:Q為加熱元件表面被氣體帶走的熱量(散熱量),kQu分別為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度及動(dòng)力粘度,A、d為加熱元件的表面積和外徑,Tw為氣體流速,為加熱元件表面溫度(壁溫),Tf為加熱地件周圍氣體溫度,B、C為與自然對(duì)流、熱輻射和加熱元件支持件傳熱有關(guān)的常數(shù),n為與雷諾數(shù)有關(guān)的常數(shù)

Qv為質(zhì)量漢速,乘以管道截面積就是質(zhì)量流量(這時(shí)。為管道截面積平均流速).Q的變化通過(guò)處理電路轉(zhuǎn)換為流量計(jì)的輸出信號(hào).顯然只要?dú)怏w的物性參數(shù)k、Q、u不變,(Tw-Tf)溫差恒定,流量計(jì)的輸出信號(hào)與流體的質(zhì)量流量就有單值函數(shù)關(guān)系.根據(jù)該原理開發(fā)研制成功了用于管道燃?xì)庥?jì)量的熱式質(zhì)量流量計(jì)。

 

2.流量計(jì)的基本構(gòu)成及工作原理

流量計(jì)插入管道中心部位的是兩個(gè)敏感元件,一個(gè)是測(cè)速加熱元件R6(V),另一個(gè)是氣體溫度變化補(bǔ)償元件R5(T),均用基準(zhǔn)級(jí)鉑電阻絲繞制而成.這兩個(gè)元件與若干固定電阻組成測(cè)量電橋,煤氣流量計(jì)檢測(cè)電路如圖1所示

 

R3和R4是固一電阻,并且R4<R3,R6(V)R5(T),因而通過(guò)R6(V)的電流比通過(guò)RS(T)的電流大得多.電橋的不平衡電壓由運(yùn)算放大器檢測(cè)放大,經(jīng)PID調(diào)整電路后驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管產(chǎn)生橋路電流,主要是R6(V)的加熱電流.通過(guò)這種反饋控制電路,使R6(V)的加熱電流隨管道煤氣流速v的提高而加大,并保持加熱溫度與被測(cè)煤氣溫度之差恒定.加熱電流的變化通過(guò)橋臂電阻R4兩端的電壓變化反映出來(lái),經(jīng)放大輸出電壓U1后送A/D變換電路.R8用于調(diào)整零點(diǎn),使U輸出值為0V,對(duì)應(yīng)管道煤氣零流速.R2用于調(diào)整量程,使U1輸出值為5V,對(duì)應(yīng)被測(cè)管道煤氣流速上限.U1-v.,特性曲線與恒溫式熱線測(cè)速儀的靜態(tài)特性曲線一致,由此可知,該煤氣熱式質(zhì)量流量計(jì)在低流速時(shí)有很高的靈敏度,可測(cè)流速范圍為0.05~50Nm/s.輸出電壓U1通過(guò)A/D實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,其后接數(shù)字線性化單元,它是固化在一片EPROM芯片中的由U1-v,對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組成的表格,該數(shù)據(jù)表格經(jīng)實(shí)流標(biāo)定后得出.儀表工作時(shí)根據(jù)U1的A/D數(shù)字量(文中簡(jiǎn)稱熱式碼N)作地址査表獲得標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量,經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后送顯示器可直接讀取被測(cè)管道煤氣瞬時(shí)流量Q和累積流量.該流量計(jì)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示

 

當(dāng)管道中無(wú)煤氣流過(guò)時(shí),流量電橋處于平衡狀態(tài),輸出值為0,代表被測(cè)煤氣零流量;而當(dāng)管道中有微弱煤氣通過(guò)時(shí),就立刻引起電橋的不平衡,測(cè)得的輸出電壓表征對(duì)應(yīng)的煤氣流量值,這樣從根本上解決了煤氣小流量漏計(jì)問(wèn)題.為了解決測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題,在測(cè)量線路設(shè)計(jì)中采用了副電橋技術(shù),提高了儀表的靈敏度

 

3、標(biāo)定方法及實(shí)流標(biāo)定

根據(jù)該流量計(jì)的測(cè)量原理,使用前須進(jìn)行標(biāo)定,這里采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為該流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。針對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的50mm煤氣管道,用該鐘罩標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)這種煤氣質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,所研制的儀表靈敏度較高,重復(fù)性較

好,取其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

 

煤氣由管道送入標(biāo)準(zhǔn)氣體容器-2000L鐘罩,并使之浮起,經(jīng)被標(biāo)表由控制閥來(lái)控制鐘罩的降落,而后通過(guò)管道將煤氣送至燃燒器,在此過(guò)程中,分別讀取鐘罩的起始刻度及終止刻度,同時(shí)記錄鐘罩在此刻范圍內(nèi)的降落時(shí)間,依據(jù)以上數(shù)據(jù)將流經(jīng)被檢表的煤氣流量換算成標(biāo)準(zhǔn)體積并讀取被檢表的熱式碼.這樣通過(guò)控制閥來(lái)調(diào)節(jié)所需的流量,可得到若干熱式碼-流量測(cè)量點(diǎn),并依取這些測(cè)量點(diǎn)可描繪出被檢表的特性曲線.該鐘罩分度值為1.0068L/mm,流量穩(wěn)定度為0.13%,累計(jì)流量準(zhǔn)確度為0.30%.

根據(jù)實(shí)流標(biāo)定數(shù)據(jù),給出燃?xì)鉄崾劫|(zhì)量流量計(jì)的特性曲線如圖3中曲線a所示.但是在大量的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不容忽視的問(wèn)題.其一,煤氣小流量標(biāo)定時(shí),熱式碼有一穩(wěn)定時(shí)間,而在大流量標(biāo)定時(shí),熱式碼幾兒乎瞬間穩(wěn)定且直至標(biāo)定結(jié)束.其二,當(dāng)煤氣溫度發(fā)生化后,小流量標(biāo)定時(shí),熱式碼變化很大,但當(dāng)流量增加到一定程度后,熱式碼不受煤氣溫度變化的影響,此時(shí)的特性曲線如圖3中曲線b、c所示

 

由圖3可知,熱式碼會(huì)隨著煤氣溫度升高或降低而增大和減小,這是由該流量計(jì)的測(cè)量原理而決定的.在煤氣管道中,當(dāng)煤氣流速很低時(shí),測(cè)速鉑電阻與煤氣間的熱交換既包括強(qiáng)制對(duì)流的影響,又不能忽略自然對(duì)流的作用。這樣,煤氣低流速時(shí),由于受自然對(duì)流的影響,熱式碼的穩(wěn)定需要定的時(shí)間,而在高流速時(shí),熱式碼由強(qiáng)制對(duì)流換熱所決定,將迅速達(dá)到穩(wěn)定值。

 

4、導(dǎo)熱系統(tǒng)對(duì)標(biāo)琿的影響及其修正

該流量計(jì)借鑒熱線熱力學(xué)原理,由該原理可知,只有當(dāng)被測(cè)煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí),同速所計(jì)算出來(lái)的煤氣帶走的熱量オ是一致的,測(cè)速鉑電阻的加熱電流才能真正準(zhǔn)確地代表被測(cè)流速.而當(dāng)煤氣溫度變化時(shí),煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之發(fā)生變化,當(dāng)煤氣溫度升高時(shí),煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)也相應(yīng)增大,導(dǎo)致表征被測(cè)流速的熱式碼也隨之增大,反之亦然為了保證熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度,必須要考慮由于被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)變化而帶來(lái)的影響,這在有關(guān)熱式質(zhì)量流量計(jì)的文獻(xiàn)中未被提及.根據(jù)理論分析和參考大量煤氣標(biāo)定試驗(yàn),提出了煤氣熱式質(zhì)量流量計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)軟件補(bǔ)償方法,即在熱式碼作為地址進(jìn)行瞬時(shí)流量查表前加入由于溫度變化引起的煤氣導(dǎo)熱系數(shù)變化而導(dǎo)致的熱式碼變化,應(yīng)用如下公式

N'=N+k(T-T0）

式中:N'為導(dǎo)熱系數(shù)修正后熱式碼值,N為導(dǎo)熱系數(shù)修正前熱式碼值,k為溫度引起的熱式碼修正系數(shù),T為被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度,T0為被測(cè)介質(zhì)標(biāo)定溫度。

在管道煤氣測(cè)量中,k取15.經(jīng)過(guò)軟件修正,很好地解決了管道煤氣測(cè)量過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)的影響問(wèn)題.導(dǎo)熱系數(shù)的補(bǔ)償還可采取硬件改進(jìn)的辦法,即在測(cè)量線路中加入導(dǎo)熱系數(shù)跟蹤測(cè)試部分也可很好地解決導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

 

5、結(jié)論

(1)研制的熱式質(zhì)量流量計(jì)用于管道煤氣的測(cè)理解決了其他流量計(jì)在煤氣測(cè)量中的下限流量不可測(cè)難題,為微小流量漏計(jì)問(wèn)題的解決提供了一種有效的手段。

(2)該流量計(jì)使用前需實(shí)流標(biāo)定,根據(jù)其測(cè)理原理,溫度對(duì)被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響,因此在儀表標(biāo)定及使用過(guò)程中應(yīng)予補(bǔ)償。

(3)通過(guò)軟件補(bǔ)償,提高了儀表的測(cè)量精度。