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  时间:2024-7-8 08:44:52

热式气体流量计测量原理与应用

摘要:介绍了热式气体质量流量计的测量原理,表头电路仿真过程和仪表参数设置。应用两个热电阻传感器,一个测流速,另一个测温。通过电桥电路调整两个探头至恒温差,通过标定不同流速下的电桥加热功率实现热式气体瞬时流量的准确计量。由于仪表电路的复杂性,采用电路仿真的方法对电桥电路进行测试,针对不同测温传感器的工况温度值,仿真不同气体流速下,不同测速探头的实时温度值,验证了不同瞬时流量下测温探头的加热功率并不相同.且具有标定可行性。再以美国斯雅乐气体质量流量计为例,详细介绍了热式流量计的仪表计量数据和配置参数。热式气体质量流量计具有灵敏度、重复性高的工业计量仪表,尤其适用于大管径、低流速的测量场合。
  热式气体流量计是一种可以直接测量气体质量流量的流量计,其具有重复性、可靠性、稳定性高和精度高,在测量现场灵敏度佳,尤其适用于大管径、低流速的测量。由于热式气体质量流量计具有压损小、机械结构多样、安装灵活、使用方便诸多优点,被广泛应用于现场气体的流量测量。依据《JJG1132-2017热式气体质量流量计》检定规程,对首次检定、后续检定和使用中检定做了明确的技术要求。
1测量原理
  热式气体质量流量计探头有两个传感器,其中一个温度传感器测量管道内气体介质的温度,另一个为介质速度传感器,通过电加热作用将速度传感器的温度加热至高于温度传感器测量得到的温度,并且保持两个传感器温差的恒定。当气体介质流动带走速度传感器上的热量时,表头上的电桥电路为保持两个传感器的温差恒定,速度传感器需要额外进行电补偿加热,这个补偿的加热功率大小和气体介质的质量流量成正比。在实际应用中,测温传感器通常应用Pt1000或者Pt300,测速传感器一般使用Pt20。由于在t℃时,两种传感器的电阻变化幅度并不相同,这样就造成电桥的不平衡,导致电桥连接比较器输人端的电压不同,从而触发新的加热动作。
 
  其中,qm热式气体质量流量计瞬时流量值,kg/s;K是流量计出厂标定的修正系数值;△P热式流量计电桥加热功率,kJ/s;C。测量气体介质的定压比热容,kJ(kg.℃);△t热式流量计两个传感器的温差值,℃;qvN是气体介质的标况体积流量,Nm3/h;ρN是气体介质的标况密度值,kg/m3。
  由式(1)、式(2)可见,对于不同管径下的气体测量,确定气体介质的前提下,通过标定修正系数K值就能实现现场瞬时流量和累积流量的计量。
2电路仿真
  热式气体质量流量计采用电桥平衡电路对测温和测速两个传感器进行激励,以Pt20和Pt1000的组合为例,电桥左边回路R1+Pt20,电桥右边回路R2+Pt1000;电阻R1的阻值为4.9Ω,电阻R2的阻值为270.5Ω,测量Pt1000的阻值就可以计算出测温传感器的温度值。由于通过49Ω采样电阻和Pt1000的电流相同,分别对两个电阻的电压进行采集,通过比率就可以计算出当前Pt1000的电阻值,进而计算出测温传感器的温度值。由于采样电阻49Ω对测量的准确度影响很大,需要电阻具备低温漂和高精度的特性,在使用的过程中通常需要对采样电阻进行标定,通常是应用标准电阻箱接人Pt1000的位置,计算出采样电阻的准确电阻值与49Ω进行比较,后续将此修正系数带人计.算过程。对热式桥电路进行仿真过程如下:假设管道内空气介质的温度为20℃,则测温传感器Pt1000的电阻值为1077.935Ω。基于上述电桥特性,测速传感器Pt20需达到63.67℃(产生43.67℃温差)才能至电桥平衡,停止对测速传感器进行加热。
 
  假设测温传感器Pt1000的温度恒定在20℃不变,当不同流速的空气介质在管道内流过测速传感器Pt20时,流速越大带走的热量越多,即Pt20的温度越低,Pt20阻值越小。分别假设Pt20的温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃,其对应的电阻值为21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω;电桥R1阻值上的电压值分别为:2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和0.419V。由此可见,热式气体质量流量计流量越大时,电桥采样电阻的电压值越大,将采样值与标准流量值进行对应就可以实现热式气体质量流量计的出厂标定。同理,假设测温传感器Pt1000的温度为70℃(1270.7510),测速传感器Pt20如果达到平衡停止加热温度为119.77%C(恒温差49.779C),Pt20在75℃、90℃、110℃下R1的电压值分别为1.903V、1.834V和1.749V,也验证了上述仿真的正确性。
3仪表设置
  工业现场应用的热式气体质量流量计种类繁多,仪表参数配置也各不相同,以热式气体质量流量计为例,流量计的接线端子包括:交流AC220V供电、直流DC24V供电;瞬时流量4mA~20mA信号输出、工况温度4mA~20mA信号输出、工况表压4mA~20mA信号输出(有些工况现场并不进行温压补偿,所以热式探头并不具备温度和压力测量功能),流量当量脉冲Pulse信号输出;串口RS22数据通信接口;继电器Alarm输出接口。美国斯雅乐热式气体质量流量计的经典型号是640i和780i系列流量计,仪表的液晶采用紧凑的点阵式液晶,上电后依次显示产品版本号、仪表序列号、仪表的量程上限、气体介质类型和备注Tag标识。由于LCD的篇幅有限,一个页面并不能显示完全所有的仪表计量数据和配置参数,并且工业仪表配有防护外壳,需要设置菜单的滚动显示是否开启。热式流量计的计量数据包括瞬时流量、工况温度、工况压力和累积流量值,表头也可以根据现场的工艺要求设置上限或下限告警动作。
  热式气体流量计的气体介质包括:空气、二氧化碳、甲烷(沼气)和氧气。针对现场的管道情况,还需要设置管道内径、管道内壁粗糙度(不同管道材质会影响气体计量的准确度,如碳钢和不锈钢的管道下,气体的瞬时流量值会有少许变化)。设置瞬时流量单位、工况温度单位、工况压力单位、设定工况压力值、仪表修正系数、小流量切除、校准日期,以及电流输出通道4mA和20mA校准,4mA压力下限值、20mA压力上限值、4mA温度下限值、20mA温度上限值,阻尼滤波值(1~200)。除了通过仪表按键设置参数之外,也可以通过RS232或者RS485连接仪表配套的上位机配置软件,实现计量数据的实时采集记录和配置参数的设置。
4结论
  热式气体质量流量计的工作原理,热式电桥电路的仿真过程和常规表头的参数设置过程。热式气体流量计应用两个热电阻传感器(分别测流速和测工况温度),并通过电桥电路调整两个传感器至恒温差效果;通过标定不同流速下电桥电路的加热功率,实现热式气体瞬时流量的准确计量;通过采用电路仿真的方法对电桥电路的复杂工作过程进行了测试,测温传感器在不同的工况温度下,仿真不同气体流速下测速探头的实时温度值,验证了仪表标定可行性。热式气体质量流量计是具有较高的灵敏度和重复性的工业计量仪表,尤其适用在大管径、低流速的工业场合。

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