熱式質(zhì)量流量計(jì)用于測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)量儀表存在著下限以下流量測量精度差或無法計(jì)量,從而引起小流量漏計(jì)問題這是因?yàn)橐恍┯糜诠艿烂簹鉁y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)中的流量都有一個變化的范圍.例如一個差壓式流量計(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.用來測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)是國際上惟一不用實(shí)流定標(biāo),可以通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)煤氣流量計(jì)量的儀表,而且我國也根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國的情況制定了自己的國家標(biāo)準(zhǔn)不必實(shí)流標(biāo)定給推廣帶來了及大的方便,但要求使用時要嚴(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題,將會帶來很大的不確定性.另外一個問題就是孔板流量計(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),這又給測量流量變化范圍較大的管線煤氣帶來困難.目前渦街流量計(jì)也用于管道煤氣的測量,但渦街流量計(jì)對流速要求較嚴(yán)格,須保證6ms以上,低于6ms時儀表的準(zhǔn)確度無法確定,或者不指示流量,漏計(jì)現(xiàn)象更加明顯.近年來,在液體測量上早已成熟應(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)測中時有應(yīng)用,但性價比高.雖然熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在工業(yè)管道煤氣測量方面確有其他流量計(jì)不具備的優(yōu)點(diǎn),但在國內(nèi)應(yīng)用并不十分普遍.本文針對這情況,根據(jù)傳熱學(xué)中的有關(guān)理論,基于恒溫式熱線測速儀的有關(guān)原理,開發(fā)研制了用于管道煤氣測量的熱式質(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)定過程中,針對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)果等問題,提出了一種補(bǔ)償方法。

 

1、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)熱線測速儀的有關(guān)原理,基于插入流體中的加熱元件與流動的流體(氣體)之間的對流換熱原理構(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。為管道截面積平均流速).Q的變化通過處理電路轉(zhuǎn)換為流量計(jì)的輸出信號.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敏感元件,一個是測速加熱元件R6(V),另一個是氣體溫度變化補(bǔ)償元件R5(T),均用基準(zhǔn)級鉑電阻絲繞制而成.這兩個元件與若干固定電阻組成測量電橋,煤氣流量計(jì)檢測電路如圖1所示

 

R3和R4是固一電阻,并且R4

 

當(dāng)管道中無煤氣流過時,流量電橋處于平衡狀態(tài),輸出值為0,代表被測煤氣零流量;而當(dāng)管道中有微弱煤氣通過時,就立刻引起電橋的不平衡,測得的輸出電壓表征對應(yīng)的煤氣流量值,這樣從根本上解決了煤氣小流量漏計(jì)問題.為了解決測量傳感器的動態(tài)響應(yīng)問題,在測量線路設(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。針對于目前**應(yīng)用的50mm煤氣管道,用該鐘罩標(biāo)準(zhǔn)裝置對這種煤氣質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定,經(jīng)過一段時間的標(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)表由控制閥來控制鐘罩的降落,而后通過管道將煤氣送至燃燒器,在此過程中,分別讀取鐘罩的起始刻度及終止刻度,同時記錄鐘罩在此刻范圍內(nèi)的降落時間,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.這樣通過控制閥來調(diào)節(jié)所需的流量,可得到若干熱式碼-流量測量點(diǎn),并依取這些測量點(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)兩個不容忽視的問題.其一,煤氣小流量標(biāo)定時,熱式碼有一穩(wěn)定時間,而在大流量標(biāo)定時,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,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,此時的特性曲線如圖3中曲線b、c所示

 

由圖3可知,熱式碼會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)的測量原理而決定的.在煤氣管道中,當(dāng)煤氣流速很低時,測速鉑電阻與煤氣間的熱交換既包括強(qiáng)制對流的影響,又不能忽略自然對流的作用。這樣,煤氣低流速時,由于受自然對流的影響,熱式碼的穩(wěn)定需要定的時間,而在高流速時,熱式碼完全由強(qiáng)制對流換熱所決定,將迅速達(dá)到穩(wěn)定值。

 

4、導(dǎo)熱系統(tǒng)對標(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)被測煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)一定時,同一流速所計(jì)算出來的煤氣帶走的熱量オ是一致的,測速鉑電阻的加熱電流才能真正準(zhǔn)確地代表被測流速.而當(dāng)煤氣溫度變化時,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,煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)也相應(yīng)增大,導(dǎo)致表征被測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)的測量精度,必須要考慮由于被測介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)變化而帶來的影響,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為被測介質(zhì)實(shí)際溫度,T0為被測介質(zhì)標(biāo)定溫度。

在管道煤氣測量中,k取15.經(jīng)過軟件修正,很好地解決了管道煤氣測量過程中導(dǎo)熱系數(shù)的影響問題.導(dǎo)熱系數(shù)的補(bǔ)償還可采取硬件改進(jìn)的辦法,即在測量線路中加入導(dǎo)熱系數(shù)跟蹤測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)用于管道煤氣的測理解決了其他流量計(jì)在煤氣測量中的下限流量不可測難題,為微小流量漏計(jì)問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)其測理原理,溫度對被測介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響,因此在儀表標(biāo)定及使用過程中應(yīng)予補(bǔ)償。

(3)通過軟件補(bǔ)償,提高了儀表的測量精度。