管道煤气热式质量流量计研制及标定技术
摘要:为解决目前燃气计量中仪表下限以下测量精度差或无法计量而造成漏计等问题, 基于强制对流换热理论和热线风速计原理, 研制成功了新型气体质量流量计.仪表中敏感元件和测速加热元件采用了微丝结构,测量线路中应用了副电桥技术, 较大地提高了仪表的灵敏度, 降低了仪表的死区.由于煤气介质较特殊, 影响因素多, 采用了实流标定.通过大量实流标定实验, 分析了煤气导热系数对标定结果的影响, 并提出了一种新的补偿方法.经实验测试, 仪表可做到几乎零下限, 有效地解决了煤气计量的漏计问题.
管道煤气流量计量的主要困难在于现有的计量仪表存在着下限以下流量测量精度差或无法计量,从而引起小流量漏计问题 .这是因为一些用于管道煤气测量的工业流量计, 由于其自身在工业中更多的应用是在流程工业中, 而流程工业中的流量都有一个变化的范围 .例如一个差压式流量计(如弯管 、内文丘里管、阿牛巴流量计等)一般可测流量的上 、下限比值仅为 3∶1 , 在下限以下的流量不能准确计量或不能实现计量[ 1].用来测量煤气流量比较成熟的仪表还有孔板流量计 ,这种流量计是国际上惟一不用实流定标[ 2],可以通过计算实现煤气流量计量的仪表, 而且我国也根据国际标准结合我国的情况制定了自己的标准.不必实流标定给推广带来了极大的方便 ,但要求使用时要严格符合标准规定, 偏离标准要进行修正[ 3].
不可知的偏离和安装使用中存在的问题,将会带来很大的不确定性 .另外一个问题就是孔板流量计的量程范围, 按标准规定只允许使用在 3 :1 的量程范围内 , 这又给测量流量变化范围较大的管线煤气带来困难[ 4].目前涡街流量计也用于管道煤气的测量, 但涡街流量计对流速要求较严格,必须保证 6 m/s 以上, 低于 6 m/s 时仪表的准确度无法确定, 或者不指示流量,漏计现象更加明显[ 1].近几年,在液体测量上早已成熟应用的超声波流量计, 由于解决了换能器发射和接收效率较低的技术难题, 在管道煤气计量中得到了一些应用[ 5].热式气体质量流量计作为测量和控制气体质量流量的新型仪表 ,在石油 、化工 、冶金、电力等工业部门的煤气 、天然气 、预热空气和烟道气的监测中时有应用, 但性价比高[ 6].
虽然热式气体质量流量计在工业管道煤气测量方面确有其他流量计不具备的优点, 但在国内应用并不十分普遍.另外,该种流量计目前在国内还不能批量生产, 多为国外生产[ 7]、国内引进经销产品, 如 E +H 公司引进的美国 SIERRA 公司的产品[ 8].本文针对这一情况 ,根据传热学中的有关理论[ 9],基于恒温式热线测速仪的有关原理[ 10], 开发研制了用于管道煤气测量的热式质量流量计 ,建立了这种流量计的实流标定装置.在这种流量计的标定过程中, 针对管道煤气温度不同导致的煤气导热系数变化严重而影响标定结果等问题, 提出了一种补偿方法 .
1、热式气体质量流量计测量原理：
热式气体质量流量计是根据热线测速仪的有关原理[ 11],基于插入流体中的加热元件与流动的流体(气体)之间的对流换热原理构成的 .由传热学原理结合传感器的结构型式, 可推导出该流量计的换热方程式为Q =k A/ d[ B +C(ρυd/ μ)n] (Tw-Tf).式中 :Q 为加热元件表面被气体带走的热量(散热量), k 、ρ、μ分别为气体的导热系数、密度及动力粘度, A 、d 为加热元件的表面积和外径, υ为气体流速 , Tw 为加热元件表面温度(壁温), Tf 为加热地件周围气体温度 , B 、C 为与自然对流、热辐射和加热元件支持件传热有关的常数, n 为与雷诺数有关的常数[ 12].
ρυ为质量汉速 ,乘以管道截面积就是质量流量(这时 υ为管道截面积平均流速).Q 的变化通过处理电路转换为流量计的输出信号 .显然只要气体的物性参数 k 、ρ、μ不变,(Tw -Tf)温差恒定,流量计的输出信号与流体的质量流量就有单值函数关系 .根据该原理开发研制成功了用于管道燃气计量的热式质量流量计 .
2 、流量计的基本构成及工作原理：
流量计插入管道中心部位的是两个敏感元件,一个是测速加热元件 R6(V),另一个是气体温度变化补偿元件 R5(T), 均用基准级铂电阻丝绕制而成 .这两个元件与若干固定电阻组成测量电桥,煤气流量计检测电路如图 1 所示 .
图 1 煤气流量计检测电路
R3 和 R4 是固一电阻 ,并且 R4 R3 , R6(V) R5(T),因而通过 R6(V)的电流比通过 R5(T)的电流大得多 .电桥的不平衡电压由运算放大器检测放大 ,经 PID 调整电路后驱动达林顿管产生桥
路电流 ,主要是 R6(V)的加热电流.通过这种反馈控制电路 ,使 R6(V)的加热电流随管道煤气流速V 的提高而加大 , 并保持加热温度与被测煤气温度之差恒定 .加热电流的变化通过桥臂电阻 R4两端的电压变化反映出来 , 经放大输出电压 U1后送A/D 变换电路 .R8 用于调整零点, 使 U1输出值为0V ,对应管道煤气零流速 .R2 用于调整量程,使 U1输出值为 5V ,对应被测管道煤气流速上限.U1-v特性曲线与恒温式热线测速仪的静态特性曲线一致[ 13],由此可知 , 该煤气热式质量流量计在低流速时有很高的灵敏度, 可测流速范围为0 .05 ～ 50Nm/ s .输出电压 U1通过 A/D 实现模数转换 , 其后接数字线性化单元 , 它是固化在一片EPROM 芯片中的由 U1 -v对应数据组成的表格,该数据表格经实流标定后得出.仪表工作时根据U1 的 A/ D 数字量(文中简称热式码 N )作地址查表获得标准状况下的体积流量, 经单片机数据处理后送显示器可直接读取被测管道煤气瞬时流量Q 和累积流量 .该流量计的结构组成如图 2 所示 。
图 2 热式质量流量计原理框图
当管道中无煤气流过时, 流量电桥处于平衡状态, 输出值为 0 , 代表被测煤气零流量;而当管道中有微弱煤气通过时 ,就立刻引起电桥的不平衡,测得的输出电压表征对应的煤气流量值, 这样从根本上解决了煤气小流量漏计问题 .为了解决测量传感器的动态响应问题, 在测量线路设计中采用了副电桥技术, 提高了仪表的灵敏度.
3、标定方法及实流标定：
根据该流量计的测量原理 , 使用前必须进行标定, 这里采用钟罩式气体流量标准装置为该流量计进行实流标定.
针对于目前广泛应用的 50 mm 煤气管道, 用该钟罩标准装置对这种煤气质量流量计进行了实流标定,经过一段时间的标定实验 ,综合分析试验数据表明 , 所研制的仪表灵敏度较高, 重复性较好,取其中一组实验数据如表 1 所示 .
煤气由管道送入标准气体容器 -2000L 钟罩,并使之浮起 ,经被标表由控制阀来控制钟罩的降落 ,而后通过管道将煤气送至燃烧器 ,在此过程中,分别读取钟罩的起始刻度及终止刻度,同时记录钟罩在此刻范围内的降落时间, 依据以上数据将流经被检表的煤气流量换算成标准体积并读取被检表的热式码.这样通过控制阀来调节所需的流量 ,可得到若干热式码 -流量测量点 ,并依取这些测量点可描绘出被检表的特性曲线 .该钟罩分度值为 1 .0068 L/mm ,流量稳定度为 0 .13 %, 累计流量准确度为 0 .30 %.
表 1 流量计钟罩标定数据(煤气温度:21℃)
根据实流标定数据, 给出燃气热式质量流量计的特性曲线如图 3 中曲线 a 所示 .但是在大量的实验中发现两个不容忽视的问题 .其一,煤气小流量标定时,热式码有一稳定时间 ,而在大流量标定时 , 热式码几乎瞬间稳定且直至标定结束.其二,当煤气温度发生化后, 小流量标定时, 热式码变化很大 ,但当流量增加到一定程度后 ,热式码不受煤气温度变化的影响 , 此时的特性曲线如图 3中曲线b 、c 所示.
图 3 煤气温度对标定曲线的影响
由图 3 可知, 热式码会随着煤气温度升高或降低而增大和减小 , 这是由该流量计的测量原理而决定的.在煤气管道中, 当煤气流速很低时 ,测速铂电阻与煤气间的热交换既包括强制对流的影响,又不能忽略自然对流的作用.这样, 煤气低流速时 ,由于受自然对流的影响 ,热式码的稳定需要一定的时间,而在高流速时,热式码完全由强制对流换热所决定, 将迅速达到稳定值 .
4、导热系统对标珲的影响及其修正：
该流量计借鉴热线热力学原理 ,由该原理可知,只有当被测煤气的导热系数一定时 ,同速所计算出来的煤气带走的热量才是一致的 ,测速铂电阻的加热电流才能真正准确地代表被测流速[ 14].而当煤气温度变化时 , 煤气的导热系数也随之发生变化, 当煤气温度升高时 ,煤气的导热系数也相应增大, 导致表征被测流速的热式码也随之增大,反之亦然.为了保证热式质量流量计的测量精度, 必须要考虑由于被测介质导热系数变化而带来的影响,这在有关热式质量流量计的文献中未被提及.根据理论分析和参考大量煤气标定试验 ,提出了煤气热式质量流量计导热系数软件补偿方法, 即在热式码作为地址进行瞬时流量查表前加入由于温度变化引起的煤气导热系数变化而导致的热式码变化,应用如下公式:
N′=N +k(T -T0).式中 :N′为导热系数修正后热式码值, N 为导热系数修正前热式码值, k 为温度引起的热式码修正系数, T 为被测介质实际温度 , T0 为被测介质标定温度 .在管道煤气测量中, k 取 15 .经过软件修正,很好地解决了管道煤气测量过程中导热系数的影响问题 .导热系数的补偿还可采取硬件改进的办法,即在测量线路中加入导热系数跟踪测试部分,也可很好地解决导热系数的影响.
5 、结论：
(1)研制的热式质量流量计用于管道煤气的测理, 解决了其他流量计在煤气测量中的下限流量不可测难题, 为微小流量漏计问题的解决提供了一种有效的手段.
(2)该流量计使用前需实流标定 ,根据其测理原理 ,温度对被测介质导热系数有一定影响 ,因此在仪表标定及使用过程中应予补偿 .
(3)通过软件补偿 ,提高了仪表的测量精度 .