摘要:為解決目前燃?xì)庥?jì)量中儀表下限以下測(cè)量精度差或無法計(jì)量而造成漏計(jì)等問題, 基于強(qiáng)制對(duì)流換熱理論和熱線風(fēng)速計(jì)原理, 研制成功了新型氣體質(zhì)量流量計(jì).儀表中敏感元件和測(cè)速加熱元件采用了微絲結(jié)構(gòu),測(cè)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(shí)流標(biāo)定.通過大量實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn), 分析了煤氣導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響, 并提出了一種新的補(bǔ)償方法.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 儀表可做到幾乎零下限, 有效地解決了煤氣計(jì)量的漏計(jì)問題.

　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(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[ 1].用來測(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)[ 2],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(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標(biāo)準(zhǔn).不必實(shí)流標(biāo)定給推廣帶來了極大的方便 ,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[ 3].

  不可知的偏離和安裝使用中存在的問題,將會(huì)帶來很大的不確定性 .另外一個(gè)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(cè)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(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,必須保證 6 m/s 以上, 低于 6 m/s 時(shí)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[ 1].近幾年,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)射和接收效率較低的技術(shù)難題, 在管道煤氣計(jì)量中得到了一些應(yīng)用[ 5].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 、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(cè)中時(shí)有應(yīng)用, 但性價(jià)比高[ 6].

  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.另外,該種流量計(jì)目前在國(guó)內(nèi)還不能批量生產(chǎn), 多為國(guó)外生產(chǎn)[ 7]、國(guó)內(nèi)引進(jìn)經(jīng)銷產(chǎn)品, 如 E +H 公司引進(jìn)的美國(guó) SIERRA 公司的產(chǎn)品[ 8].本文針對(duì)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(cè)速儀的有關(guān)原理[ 10], 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[ 11],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 =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(dòng)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(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)[ 12].
  ρυ為質(zhì)量漢速 ,乘以管道截面積就是質(zhì)量流量(這時(shí) 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(jì)的輸出信號(hào) .顯然只要?dú)怏w的物性參數(shù) k 、ρ、μ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 .

圖 1 　煤氣流量計(jì)檢測(cè)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(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(diǎn), 使 U1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[ 13],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 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 )作地址查表獲得標(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 。

圖 2　熱式質(zhì)量流量計(jì)原理框圖
  當(dāng)管道中無煤氣流過時(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)問題 .為了解決測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題, 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 , 使用前必須進(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 50 mm 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(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.這樣通過控制閥來調(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 .0068 L/mm ,流量穩(wěn)定度為 0 .13 %, 累計(jì)流量準(zhǔn)確度為 0 .30 %.

表 1 　流量計(jì)鐘罩標(biāo)定數(shù)據(jù)(煤氣溫度:21℃)
  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.

圖 3 　煤氣溫度對(duì)標(biāo)定曲線的影響
  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)定需要一定的時(shí)間,而在高流速時(shí),熱式碼完全由強(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)算出來的煤氣帶走的熱量才是一致的 ,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[ 14].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)過軟件修正,很好地解決了管道煤氣測(cè)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(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)定及使用過程中應(yīng)予補(bǔ)償 .
   (3)通過軟件補(bǔ)償 ,提高了儀表的測(cè)量精度 .