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速計原理, 研制成功了新型氣體質量流量計.儀表中敏感元件和測速加熱元件采用了微絲結構,測量線路中應用了副電橋技術, 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, 分析了煤氣導熱系數對標定結果的影響, 并提出了一種新的補償方法.經實驗測試, 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],可以通過計算實現煤氣流量計量的儀表, 而且我國也根據國際標準結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 , 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,漏計現象更加明顯[ 1].近幾年,在液體測量上早已成熟應用的超聲波流量計, 由于解決了換能器發(fā)射和接收效率較低的技術難題, 在管道煤氣計量中得到了一些應用[ 5].熱式氣體質量流量計作為測量和控制氣體質量流量的新型儀表 ,在石油 、化工 、冶金、電力等工業(yè)部門的煤氣 、天然氣 、預熱空氣和煙道氣的監(jiān)測中時有應用, 但性價比高[ 6].

  雖然熱式氣體質量流量計在工業(yè)管道煤氣測量方面確有其他流量計不具備的優(yōu)點, 但在國內應用并不十分普遍.另外,該種流量計目前在國內還不能批量生產, 多為國外生產[ 7]、國內引進經銷產品, 如 E +H 公司引進的美國 SIERRA 公司的產品[ 8].本文針對這一情況 ,根據傳熱學中的有關理論[ 9],基于恒溫式熱線測速儀的有關原理[ 10], 開發(fā)研制了用于管道煤氣測量的熱式質量流量計 ,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致的煤氣導熱系數變化嚴重而影響標定結果等問題, 提出了一種補償方法 .

1、熱式氣體質量流量計測量原理：
  熱式氣體質量流量計是根據熱線測速儀的有關原理[ 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成的 .由傳熱學原理結合傳感器的結構型式, 可推導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分別為氣體的導熱系數、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的常數, n 為與雷諾數有關的常數[ 12].
  ρυ為質量漢速 ,乘以管道截面積就是質量流量(這時 υ為管道截面積平均流速).Q 的變化通過處理電路轉換為流量計的輸出信號 .顯然只要氣體的物性參數 k 、ρ、μ不變,(Tw -Tf)溫差恒定,流量計的輸出信號與流體的質量流量就有單值函數關系 .根據該原理開發(fā)研制成功了用于管道燃氣計量的熱式質量流量計 .

2 、流量計的基本構成及工作原理：
  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 PID 調整電路后驅動達林頓管產生橋
   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 , 經放大輸出電壓 U1后送A/D 變換電路 .R8 用于調整零點, 使 U1輸出值為0V ,對應管道煤氣零流速 .R2 用于調整量程,使 U1輸出值為 5V ,對應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 實現模數轉換 , 其后接數字線性化單元 , 它是固化在一片EPROM 芯片中的由 U1 -v對應數據組成的表格,該數據表格經實流標定后得出.儀表工作時根據U1 的 A/ D 數字量(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, 經單片機數據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 .該流量計的結構組成如圖 2 所示 。

圖 2　熱式質量流量計原理框圖
  當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)響應問題, 在測量線路設計中采用了副電橋技術, 提高了儀表的靈敏度.

3、標定方法及實流標定：
  根據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.
  針對于目前廣泛應用的 50 mm 煤氣管道, 用該鐘罩標準裝置對這種煤氣質量流量計進行了實流標定,經過一段時間的標定實驗 ,綜合分析試驗數據表明 , 所研制的儀表靈敏度較高, 重復性較好,取其中一組實驗數據如表 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的降落時間, 依據以上數據將流經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 　流量計鐘罩標定數據(煤氣溫度:21℃)
  根據實流標定數據, 給出燃氣熱式質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)定且直至標定結束.其二,當煤氣溫度發(fā)生化后, 小流量標定時, 熱式碼變化很大 ,但當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原理 ,由該原理可知,只有當被測煤氣的導熱系數一定時 ,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].而當煤氣溫度變化時 , 煤氣的導熱系數也隨之發(fā)生變化, 當煤氣溫度升高時 ,煤氣的導熱系數也相應增大, 導致表征被測流速的熱式碼也隨之增大,反之亦然.為了保證熱式質量流量計的測量精度, 必須要考慮由于被測介質導熱系數變化而帶來的影響,這在有關熱式質量流量計的文獻中未被提及.根據理論分析和參考大量煤氣標定試驗 ,提出了煤氣熱式質量流量計導熱系數軟件補償方法, 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熱系數變化而導致的熱式碼變化,應用如下公式:
  N′=N +k(T -T0).式中 :N′為導熱系數修正后熱式碼值, N 為導熱系數修正前熱式碼值, k 為溫度引起的熱式碼修正系數, T 為被測介質實際溫度 , T0 為被測介質標定溫度 .在管道煤氣測量中, k 取 15 .經過軟件修正,很好地解決了管道煤氣測量過程中導熱系數的影響問題 .導熱系數的補償還可采取硬件改進的辦法,即在測量線路中加入導熱系數跟蹤測試部分,也可很好地解決導熱系數的影響.

5 、結論：
   (1)研制的熱式質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 ,根據其測理原理 ,溫度對被測介質導熱系數有一定影響 ,因此在儀表標定及使用過程中應予補償 .
   (3)通過軟件補償 ,提高了儀表的測量精度 .