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溫度、壓力補(bǔ)償型的氣體渦輪流量計(jì)介紹
一、概述
氣體的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，因此在結(jié)構(gòu)上與液體渦輪流量計(jì)有顯著差別，且氣體的密度受溫度、壓力的變化影響較大。因此進(jìn)行氣體體積流量測(cè)量時(shí)，多采用帶溫度、壓力補(bǔ)償功能的氣體渦輪流量計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量氣體介質(zhì)的目的。這種渦輪流量計(jì)在測(cè)量體積流量的同時(shí)，必須跟蹤檢測(cè)氣體介質(zhì)的溫度和壓力，并將不同工況條件下的氣體體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(ρ=101.325kPa， T=273.15K)的體積流量。這種溫度、壓力補(bǔ)償型的氣體渦輪流量計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖1.10所示。
溫度、壓力補(bǔ)償型氣體渦輪流量計(jì)可采用電磁感應(yīng)原理將渦輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為與流體體積流量成正比的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸入運(yùn)算器，與溫度、壓力信號(hào)一起進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算器按照氣體狀態(tài)方程進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果可以就地顯示或用多種信號(hào)形式遠(yuǎn)傳。
氣體狀態(tài)方程可寫為
Pa――當(dāng)?shù)卮髿鈮海?kPa；
PE――流量計(jì)壓力檢測(cè)點(diǎn)的表壓力， kPa；
P0――標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325kPa) ；
T0――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度(273.15K)；
T――被測(cè)介質(zhì)絕對(duì)溫度(273.15十 t ) K；
t ――被測(cè)介質(zhì)溫度， 0C；
 ―― 氣體壓縮因子（對(duì)于天然氣壓縮因子，可按中國(guó)石油天然氣總公司ST/T6143――1996標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）；
Zn ―― 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；
Zg ―― 工作狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。
如采用各類單片機(jī)技術(shù)和微功耗技術(shù)作為運(yùn)算器，則除了溫度、壓力補(bǔ)償外，還可以有報(bào)警、自診斷、信號(hào)遠(yuǎn)傳等多種功能，做到功能強(qiáng)、運(yùn)算精確度高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、重復(fù)性好。氣體渦輪流量計(jì)可廣泛應(yīng)用于單相氣體(包括壓縮氣體)標(biāo)準(zhǔn)體積總量的計(jì)量，是石油、化工、電力、冶金以及城市燃?xì)夤芫W(wǎng)等行業(yè)氣體計(jì)量的理想儀表。
二、智能氣體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)
智能氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在通用渦輪流量計(jì)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的傳感器組件和微處理器構(gòu)成的，主要由流量積算儀、溫度傳感器組件、壓力傳感器組件、渦輪流量傳感器四大部分組成。
(一)渦輪流量傳感器設(shè)計(jì)
渦輪流量傳感器由表體、整流器、渦輪、軸、軸承及信號(hào)檢測(cè)器組成。
(1)表體 表體是傳感器的主體部件，它起到承受被測(cè)流體的壓力、固定安裝檢測(cè)部件、連接管道的作用。表體采用不導(dǎo)磁的不銹鋼或硬鋁合金制造。表體從外壁裝入溫度、壓力等信號(hào)檢測(cè)器。測(cè)壓孔取位于整流器距離進(jìn)口1/2~2/3的位置，直徑不得大于3mm；測(cè)溫孔取位于渦輪定位座后2D以內(nèi)。
(2)整流器 在傳感器的進(jìn)口安裝整流器，它對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支撐葉輪的作用。整流器的設(shè)計(jì)目的是調(diào)整氣流的速度分布剖面。整流器導(dǎo)流體的外徑設(shè)計(jì)同渦輪輪殼外徑。為了使流體的分布均勻，要將整流器設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。材質(zhì)要求選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。
(3)渦輪 渦輪亦稱葉輪，是傳感器的檢測(cè)元件，它由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率。葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)。葉輪的動(dòng)平衡很重要，直接影響儀表性能和使用壽命。葉輪是變送器的敏感元件，也是關(guān)鍵元件，所以葉輪的設(shè)計(jì)將直接影響到變送器的性能好壞。由于儀表常數(shù) k 是葉片安裝角β、頂隙 Δr 、葉柵重疊度以及流通截面的函數(shù)，所以選擇理想的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)是很重要的。
(4)軸與軸承 軸與軸承支撐葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等，它決定著傳感器的可靠性和使用期限。流量傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是很重要的。同時(shí)，軸承阻力矩的大小影響流量計(jì)的計(jì)量性能，為了提高計(jì)量的精確度，得到好的小流量特性，對(duì)軸、軸承的設(shè)計(jì)原則是使軸承阻力矩盡可能小。
(二) 流量積算儀設(shè)計(jì)
1.流量積算儀的工作原理
流量積算儀是多功能電子式氣體體積校正儀。它接收流量脈沖信號(hào)，與高精確度溫度、壓力傳感器配接，可完成采集溫度、壓力、流量脈沖信號(hào)，計(jì)算、記錄標(biāo)準(zhǔn)工況 ( ρ=101.325kPa， T=273.15K。根據(jù)用戶要求可取 T =273.15K ) 和實(shí)際工況下的瞬時(shí)及累積流量，記錄壓力、溫度及狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)部分狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。
主要功能如下。
①采集流量計(jì)的實(shí)測(cè)體積信號(hào)。
②測(cè)量氣體溫度和壓力。
③分別計(jì)算、顯示、記錄工況和標(biāo)況瞬時(shí)流量，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新。
④根據(jù)用氣單位、供氣單位等不同用戶情況，賦予不同的用戶權(quán)限，允許用戶根據(jù)實(shí)際情況變更數(shù)據(jù)，這樣利于用戶用氣管理。
⑤信息顯示。
⑥報(bào)警信號(hào)管理。
⑦數(shù)據(jù)庫管理定時(shí)記錄累計(jì)體積、壓力、溫度等。
⑧具備脈沖、模擬、RS-485多種輸出信號(hào)方式。
⑨低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)電源、外供電兩種供電方式結(jié)合，正常工作條件下，一般要求5年內(nèi)無需更換電池。
流量積算儀由溫度、壓力檢測(cè)模擬通道，流量檢測(cè)數(shù)字通道，以及微處理單元、液晶驅(qū)動(dòng)電路和其他輔助電路組成，并配有外輸出信號(hào)接口，其工作原理如圖1.11所示。從各傳感器送來的多路信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后，由微處理器按照氣體狀態(tài)方程代入公式運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)就地顯示和多種信號(hào)遠(yuǎn)傳。
2、流量積算儀設(shè)計(jì)步驟
流量積算儀的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換蘭大部分。下面是各部分電路設(shè)計(jì)的實(shí)例。
(1) 溫度采集電路設(shè)計(jì)為了保證采集到的溫度信號(hào)的脈沖波形不產(chǎn)生失真，以至于影響對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)，可以為溫度傳感器設(shè)計(jì)各種橋式濾波電路。該電橋電路首先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓，隨后利用脈沖分壓器的補(bǔ)償電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出脈沖電壓幅值變得平穩(wěn)，并確保波形不產(chǎn)生失真�；倦娐啡鐖D1.12所示。
(2) 壓力采集電路設(shè)計(jì) 壓力采集電路同溫度采集電路一樣，是為了保證采集到的電信號(hào)平穩(wěn)，并能保持原采集信號(hào)的波形，因此該電路的設(shè)計(jì)思路同溫度采集電路的設(shè)計(jì)思路相同。由于考慮到采集到的壓力信號(hào)的變化幅度較大，為了確保壓力信號(hào)能夠平穩(wěn)，其穩(wěn)壓電路可設(shè)計(jì)為全波橋式整流電路，基本電路如圖1.13所示。
(3)流量脈沖采集保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于流量脈沖信號(hào)易于受到外界電磁場(chǎng)的干擾而影響 對(duì)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，因此為了防止外界電磁場(chǎng)的干擾，應(yīng)該為脈沖輸入信號(hào)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體選定的流量信號(hào)傳感器的類別采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)。
(4)流量脈沖輸出電路及脈沖輸出報(bào)警電路的設(shè)計(jì)流量輸出不僅存在傳輸干擾，而且 外部控制信號(hào)有可能反向產(chǎn)生干擾信號(hào)。為了避免干擾影響流量測(cè)量結(jié)果，且能夠在電池電量不足、掉電等情況下，提醒工作人員更換電池，設(shè)計(jì)報(bào)警電路在上述情況下進(jìn)行報(bào)警，并要求控制器自動(dòng)存儲(chǔ)該時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時(shí)流量、累加流量、溫度、壓力及工況下的累加流量、掉電時(shí)刻的時(shí)間，以便人工進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。流量脈沖輸出電路和報(bào)警電路設(shè)計(jì)采用光電隔離技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，具體電路設(shè)計(jì)如圖1.14所示。
該電路首先將采集到的流量脈沖信號(hào)通過簡(jiǎn)單的共發(fā)射極放大電路進(jìn)行放大，然后將放大的電信號(hào)經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并利用復(fù)合濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行整形輸出，這樣就可獲得比較平滑的電信號(hào)。
(5)通信接口電路設(shè)計(jì)采集到的流量信號(hào)及處理后的計(jì)量數(shù)據(jù)通過 RS-485 或 RS-232 可以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理和控制。對(duì)于總線通信接口，選用 MAX485 或 MAX232 。硬件設(shè)計(jì)要同時(shí)包括有 MAX485 和 MAX232，對(duì)于在信息傳輸時(shí)用哪一個(gè)接口是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。其具體電路設(shè)計(jì)如圖 1. 15 所示。
(6)數(shù)據(jù)傳輸框圖系統(tǒng)帶有 RS-485 或 RS-232 總線通信方式的數(shù)據(jù)接口，可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸所有的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程收費(fèi)和管理，且可以在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)自動(dòng)切換到外供電，不消耗電池電能。數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖1.16所示。
（7)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)智能氣體渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，假定渦輪在正常工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)子以恒定的角速度 ω 運(yùn)轉(zhuǎn)，則驅(qū)動(dòng)力矩等于各阻力矩之和。如方程(1.1)所示。采用前述的一元流動(dòng)模型或二元流動(dòng)模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩和各種阻力矩。計(jì)算時(shí)，先設(shè)定渦輪的兩個(gè)轉(zhuǎn)速作為初始值，使在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，平衡方程的左端分別大于零和小于零。取適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)，用兩分法自行迭代，計(jì)算得最終渦輪轉(zhuǎn)速，使其在一定精確度下計(jì)算得出 ω 值，即可得到相應(yīng)的脈沖數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出 q0 。主程序框圖可參閱圖1.22。
經(jīng)過標(biāo)定的基礎(chǔ)表，配接智能頭后進(jìn)行測(cè)量時(shí)，利用應(yīng)用程序進(jìn)行流量計(jì)量的補(bǔ)償和修正，程序流程如圖1.17所示。
(三) 智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定
對(duì)智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定與普通氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定一樣，目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)儀表換算系數(shù)、精確度、重復(fù)性、瞬時(shí)流量等技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定和實(shí)時(shí)程序?qū)懭�，以及�?duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計(jì)的智能化，使得有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設(shè)定，因而其標(biāo)定的方法和內(nèi)容與普通渦輪流量計(jì)的標(biāo)定方法有所不同。
(1) 標(biāo)定、檢定裝置標(biāo)定、檢定所需標(biāo)準(zhǔn)裝置是聲速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1.18所示。對(duì)于流量比較大的標(biāo)準(zhǔn)裝置，需選用水環(huán)式真空泵，因此還需配備冷卻塔、離心泵、地下水池、消音器。為了調(diào)整入口氣體流場(chǎng)和降低噪聲，還應(yīng)在入口處安裝喇叭形入口。被檢表的前后直管段應(yīng)足夠長(zhǎng)。此外，還應(yīng)配備配電柜、計(jì)算機(jī)、夾表器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(2) 產(chǎn)品標(biāo)定所謂標(biāo)定是對(duì)各流量段檢定流量、檢定時(shí)間、流量計(jì)脈沖數(shù)、平均儀表系數(shù)的寫入過程�？紤]到標(biāo)定期間的環(huán)境溫度和環(huán)境壓力與標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力差別不大，所以不需進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)定，而只標(biāo)定工況下基礎(chǔ)表的脈沖。
最后，將標(biāo)定結(jié)果連同積算儀實(shí)測(cè)溫度、壓力回寫到積算儀，通過軟件對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。
智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定過程與普通渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定過程存在一定的差異，這是由于其具有對(duì)實(shí)際工況的溫度、壓力補(bǔ)償和壓縮系數(shù)修正功能。事實(shí)上，通過其標(biāo)定過程就可以體現(xiàn)其間的差別。經(jīng)過測(cè)試表明，標(biāo)定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計(jì)算功能能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量流量的修正和補(bǔ)償目的，提高計(jì)量精確度。
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