摘要:為解決目前燃氣計量中儀表下限以下測量精度差或無法計量而造成漏計等問題, 基于強制對流換熱理論和熱線風(fēng)速計原理, 研制成功了新型氣體質(zhì)量流量計.儀表中敏感元件和測速加熱元件采用了微絲結(jié)構(gòu),測量線路中應(yīng)用了副電橋技術(shù), 較大地提高了儀表的靈敏度, 降低了儀表的死區(qū).由于煤氣介質(zhì)較特殊, 影響因素多, 采用了實流標定.通過大量實流標定實驗, 分析了煤氣導(dǎo)熱系數(shù)對標定結(jié)果的影響, 并提出了一種新的補償方法.經(jīng)實驗測試, 儀表可做到幾乎零下限, 有效地解決了煤氣計量的漏計問題.

　管道煤氣流量計量的主要困難在于現(xiàn)有的計量儀表存在著下限以下流量測量精度差或無法計量,從而引起小流量漏計問題 .這是因為一些用于管道煤氣測量的工業(yè)流量計, 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(如彎管 、內(nèi)文丘里管、阿牛巴流量計等)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確計量或不能實現(xiàn)計量[ 1].用來測量煤氣流量比較成熟的儀表還有孔板流量計 ,這種流量計是國際上惟一不用實流定標[ 2],可以通過計算實現(xiàn)煤氣流量計量的儀表, 而且我國也根據(jù)國際標準結(jié)合我國的情況制定了自己的標準.不必實流標定給推廣帶來了極大的方便 ,但要求使用時要嚴格符合標準規(guī)定, 偏離標準要進行修正[ 3].

  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的量程范圍, 按標準規(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[ 4].目前渦街流量計也用于管道煤氣的測量, 但渦街流量計對流速要求較嚴格,必須保證 6 m/s 以上, 低于 6 m/s 時儀表的準確度無法確定, 或者不指示流量,漏計現(xiàn)象更加明顯[ 1].近幾年,在液體測量上早已成熟應(yīng)用的超聲波流量計, 由于解決了換能器發(fā)射和接收效率較低的技術(shù)難題, 在管道煤氣計量中得到了一些應(yīng)用[ 5].熱式氣體質(zhì)量流量計作為測量和控制氣體質(zhì)量流量的新型儀表 ,在石油 、化工 、冶金、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[ 6].

  雖然熱式氣體質(zhì)量流量計在工業(yè)管道煤氣測量方面確有其他流量計不具備的優(yōu)點, 但在國內(nèi)應(yīng)用并不十分普遍.另外,該種流量計目前在國內(nèi)還不能批量生產(chǎn), 多為國外生產(chǎn)[ 7]、國內(nèi)引進經(jīng)銷產(chǎn)品, 如 E +H 公司引進的美國 SIERRA 公司的產(chǎn)品[ 8].本文針對這一情況 ,根據(jù)傳熱學(xué)中的有關(guān)理論[ 9],基于恒溫式熱線測速儀的有關(guān)原理[ 10], 開發(fā)研制了用于管道煤氣測量的熱式質(zhì)量流量計 ,建立了這種流量計的實流標定裝置.在這種流量計的標定過程中, 針對管道煤氣溫度不同導(dǎo)致的煤氣導(dǎo)熱系數(shù)變化嚴重而影響標定結(jié)果等問題, 提出了一種補償方法 .

1、熱式氣體質(zhì)量流量計測量原理：
  熱式氣體質(zhì)量流量計是根據(jù)熱線測速儀的有關(guān)原理[ 11],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)出該流量計的換熱方程式為Q =k A/ d[ B +C(ρυd/ μ)n] (Tw-Tf).式中 :Q 為加熱元件表面被氣體帶走的熱量(散熱量), k 、ρ、μ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, υ為氣體流速 , Tw 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)[ 12].
  ρυ為質(zhì)量漢速 ,乘以管道截面積就是質(zhì)量流量(這時 υ為管道截面積平均流速).Q 的變化通過處理電路轉(zhuǎn)換為流量計的輸出信號 .顯然只要氣體的物性參數(shù) k 、ρ、μ不變,(Tw -Tf)溫差恒定,流量計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氣計量的熱式質(zhì)量流量計 .

2 、流量計的基本構(gòu)成及工作原理：
  流量計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償元件 R5(T), 均用基準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,煤氣流量計檢測電路如圖 1 所示 .

圖 1 　煤氣流量計檢測電路

　R3 和 R4 是固一電阻 ,并且 R4  R3 , R6(V) R5(T),因而通過 R6(V)的電流比通過 R5(T)的電流大得多 .電橋的不平衡電壓由運算放大器檢測放大 ,經(jīng) PID 調(diào)整電路后驅(qū)動達林頓管產(chǎn)生橋
   路電流 ,主要是 R6(V)的加熱電流.通過這種反饋控制電路 ,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煤氣溫度之差恒定 .加熱電流的變化通過橋臂電阻 R4兩端的電壓變化反映出來 , 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, 使 U1輸出值為0V ,對應(yīng)管道煤氣零流速 .R2 用于調(diào)整量程,使 U1輸出值為 5V ,對應(yīng)被測管道煤氣流速上限.U1-v特性曲線與恒溫式熱線測速儀的靜態(tài)特性曲線一致[ 13],由此可知 , 該煤氣熱式質(zhì)量流量計在低流速時有很高的靈敏度, 可測流速范圍為0 .05 ～ 50Nm/ s .輸出電壓 U1通過 A/D 實現(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對應(yīng)數(shù)據(jù)組成的表格,該數(shù)據(jù)表格經(jīng)實流標定后得出.儀表工作時根據(jù)U1 的 A/ D 數(shù)字量(文中簡稱熱式碼 N )作地址查表獲得標準狀況下的體積流量, 經(jīng)單片機數(shù)據(jù)處理后送顯示器可直接讀取被測管道煤氣瞬時流量Q 和累積流量 .該流量計的結(jié)構(gòu)組成如圖 2 所示 。

圖 2　熱式質(zhì)量流量計原理框圖
  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)計中采用了副電橋技術(shù), 提高了儀表的靈敏度.

3、標定方法及實流標定：
  根據(jù)該流量計的測量原理 , 使用前必須進行標定, 這里采用鐘罩式氣體流量標準裝置為該流量計進行實流標定.
  針對于目前廣泛應(yīng)用的 50 mm 煤氣管道, 用該鐘罩標準裝置對這種煤氣質(zhì)量流量計進行了實流標定,經(jīng)過一段時間的標定實驗 ,綜合分析試驗數(shù)據(jù)表明 , 所研制的儀表靈敏度較高, 重復(fù)性較好,取其中一組實驗數(shù)據(jù)如表 1 所示 .
  煤氣由管道送入標準氣體容器 -2000L 鐘罩,并使之浮起 ,經(jīng)被標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準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 ,并依取這些測量點可描繪出被檢表的特性曲線 .該鐘罩分度值為 1 .0068 L/mm ,流量穩(wěn)定度為 0 .13 %, 累計流量準確度為 0 .30 %.

表 1 　流量計鐘罩標定數(shù)據(jù)(煤氣溫度:21℃)
  根據(jù)實流標定數(shù)據(jù), 給出燃氣熱式質(zhì)量流量計的特性曲線如圖 3 中曲線 a 所示 .但是在大量的實驗中發(fā)現(xiàn)兩個不容忽視的問題 .其一,煤氣小流量標定時,熱式碼有一穩(wěn)定時間 ,而在大流量標定時 , 熱式碼幾乎瞬間穩(wěn)定且直至標定結(jié)束.其二,當(dāng)煤氣溫度發(fā)生化后, 小流量標定時, 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.

圖 3 　煤氣溫度對標定曲線的影響
  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)定需要一定的時間,而在高流速時,熱式碼完全由強制對流換熱所決定, 將迅速達到穩(wěn)定值 .

4、導(dǎo)熱系統(tǒng)對標琿的影響及其修正：
  該流量計借鑒熱線熱力學(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 ,同速所計算出來的煤氣帶走的熱量才是一致的 ,測速鉑電阻的加熱電流才能真正準確地代表被測流速[ 14].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)量流量計的文獻中未被提及.根據(jù)理論分析和參考大量煤氣標定試驗 ,提出了煤氣熱式質(zhì)量流量計導(dǎo)熱系數(shù)軟件補償方法, 即在熱式碼作為地址進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)實際溫度 , T0 為被測介質(zhì)標定溫度 .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)的補償還可采取硬件改進的辦法,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)量流量計用于管道煤氣的測理, 解決了其他流量計在煤氣測量中的下限流量不可測難題, 為微小流量漏計問題的解決提供了一種有效的手段.
   (2)該流量計使用前需實流標定 ,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 ,因此在儀表標定及使用過程中應(yīng)予補償 .
   (3)通過軟件補償 ,提高了儀表的測量精度 .