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恒功率热式气体流量计 温度补偿实现办法

时间:2018/09/04来源:未知

摘要:恒功率热式气体流量计的加热探头的热量散失不仅与测量介质的质量流量有关还与测量介质的温度有关。针对目前常用补偿方式的繁琐问题,通过对实验数据的分析,提出了一种简洁易行的多项式拟合补偿算法。试验结果表明该算法能够在温度变化50℃情况下,仍能达到1.5级精度要求。

恒功率热式气体流量计 温度补偿实现办法

0、引言:
  热式气体流量计是基于热扩散原理而设计开发的流量仪表,即利用气体流过发热元件所带走的热量与流体的质量流速成比例关系的原理而设计的[1]。热式气体流量计又分为恒温差型和恒功率型两种,由于恒功率型具有工作电流小、使用寿命长等优点逐渐开始应用于各个领域。在工程应用中,恒功率型热式流量计与恒温差型同样会遇到由于测量介质温度的变化带来测量误差增大的问题。本文分析介质温度变化对恒功率热式流量计的影响,并提出了一种新的温度补偿方法。

1、测量原理:

  常见的热式流量计探头均有2个铂电阻,一个作为有源元件( 速度探头) 被加热,另一个作为参考元件( 温度探头) 不被加热,探头结构如图1所示。

图1热式流量仪表探头结构

图1热式流量仪表探头结构

根据热力学原理,提供给加热探头的功率等于流动的气体对流换热带走的能量[2]。即:

计算公式

 

式中: Iw为通过加热探头的电流; Rw为加热探头的电阻; h为表面传热系数; As为探头的表面积; Tw为加热探头的温度; Tf为温度探头所测的气体温度。

h As可表示如下[3]:

计算公式

 

式中: A,B为经验常数; qm为气体的质量流量。

由式( 1) 和式( 2) 可得:

计算公式

 

由式( 3) 可以看出,在Tf一定的条件下,流体的流量qm是电流Iw和温度Tw的函数,保持Tw不变即为恒温差测量,保持Iw不变即为恒功率测量。

2温度对恒功率热式流量计的影响分析

  针对恒功率热式气体流量计,一般均同时采集参考温度值、加热温度值,则温度探头和速度探头采集的电压值可表示为:计算公式

 

  式中: Vf为温度探头采集的电压值; Vs为速度探头采集的电压值; R0为铂电阻在0 ℃ 时的电阻值; If为温度探头的工作电流 α 为温度探头铂电阻的温度系数; Is为速度探头的工作电流; α 为速度探头铂电阻的温度系数; Tf为校验时温度; Ts为速度探头的温度; Tc为实际使用过程中的环境温度。

  在校验的过程中,可先关闭加热器,然后通过调节If、Is,使得R0If[1 + αTf]= R0Is[1 + α'Tf]; 仪表工作时实际计算的是两个探头的温度差,则有:

计算公式

 

若Is= If,则

计算公式

 

  式中: R0Isα'Ts表示速度探头加热温度; R0I( α' - α) ΔT表示由环境温度相比校验温度的改变所引起的温度差所引入的测量偏差。

  因此温度补偿的目的就是消除该误差的影响。在校验过程中,由于环境温度变化是缓慢的而且校验时间较短,可以认为环境温度没有发生改变( ΔT = 0) ,即校验时认为没有温度变化带来误差。

3、恒功率热式流量计温度补偿实现:

  文献[4]从硬件的角度提出了一种温度补偿方法,但是该方法是针对恒温差热式流量计,并不适用于恒功率热式流量计。由于采集到的电压含有温度变化带来的偏移量,故定义补偿系数为温度变化量的函数:

计算公式

 

  式中: b = R0( α'Is- αIf) ; a、c为多项式系数,用于对补偿量进一步修正。

  若要进行温度补偿,需要在校验的过程中记录环境温度值,并实时采集现场的温度值,计算温度差,再进行温度补偿计算。图2为温度补偿计算流程图。

图2温度补偿计算流程图

图2温度补偿计算流程图

在温度计算程序中,计算出易于系统应用的补偿系数,假设系统的A/D转换器为N位,参考电压为Vref,则补偿系数的计算公式更新为

计算公式

  故最终的温度差的采样A/D值补偿计算公式为

计算公式

 

4、温度补偿结果验证:

  在常温下( 20 ℃ ) 用空气作为介质来标定恒功率热式流量计,得到的校验数据如表1所示。对表格中的数据进行5阶多项式拟合,得到的拟合曲线为

计算公式

 

  由于需要对实验气体进行调温,实验时使用电源箱调节加热管段加热电阻丝的电流以将气体加热到实际所需的温度。 实验时,分别取室温( 20 ℃ ) 、27 ℃ 、35 ℃ 、60 ℃ 、75 ℃ 进行实验比较。由于电阻丝具有热惯性,温度是缓慢升高的,故需要等待温度进入稳态才可以记录数据。如图3所示,分别是在流速为5. 5 m/s、9. 1 m/s、16. 2 m/s时在上述实验温度点采集的数据。

表1校验数据

表1校验数据

图3采样电压与温度的关系

图3采样电压与温度的关系

  由图3可知,采样电压随着温度的升高而升高。电压的变化量是温度差的函数,根据实验数据得到的修正公式为

计算公式

 

  图4和图5分别是温度补偿前和补偿后的测量误差,流速计算公式是校验时得到的式( 10) 。从图4可以看出测量误差会随着温度增加而显著增大,经过温度补偿后测量误差保持在1. 5% 以内,表明采用本文提出的温度补偿方法可以较好地补偿气体温度变化带来的测量误差。

图4未补偿前测量误差

图4未补偿前测量误差

 

图5温度补偿后测量误差

 

图5温度补偿后测量误差 

概述
  H+WRSL系列智能热式气体质量流量计是依据流体吸收热的速度直接与质量流量相关的原量研制而成,应用范围广。应用场合包括:
公用工程--电、气、水处理的监控
  管道的气体:通用系统;沼气;煤气;天然气;液化气;锅炉预热空气。
石油与天然气工业
  能量交换;填井气回收;燃气计量;气体质量分析;泄漏气测试;天然气测量;火炬气的监控。
电力行业
  燃料系统中气体分配过程中的气体测量;锅炉及辅助系统中各种气体的测量;燃气炉上气体测量;氢气测量;电厂高炉的一次风二次风的测量。
化学行业
  烟气循环监测;采样系统中气体流量计量;引风机的气体流量计量;化肥厂氨气测量;电池工厂各种气体流量测量。
冶金行业
  钢铁厂加气测量;炼铁厂高炉煤气的测量;焦化厂焦炉煤气的测量;轧钢厂加热炉燃气(高炉煤气、焦化煤气、天然气等)的测量控制;热处理淬火炉的氢、氧、氮等气体的控制。
纸浆与造纸行业
  废水处理系统中气体的流量;烟道流量控制;过路回收二次/三次空气;锅炉的燃气和空气送风测量。
食品及医药行业
  加工操作中新鲜空气的加入;啤酒厂中二氧化碳的处理;瓶子消毒器中热空气的流量;热氧化过程中气体流量测量;通风系统;锅炉进气、废气、过程控制。
环保
  沼气利用过程中的气体测量;氯气处理过程中氯气气体测量;污水处理过程中曝气池的气体测量;烟筒道排气监测SO2和NOX的排量。
其他行业
  工厂压缩空气测量;煤粉燃烧过程粉/气配比控制燃料;水泥工业舒适磨粉机排放热气流量控制。
工作原理
  H+WRSL系列流量计/流量开关是基于热扩散原理的流量仪表。即是利用流体流过发物体时,发热物体的热量散失多少与流体的流量成一定比例关系。具体来说,该流量计的传感器有两只标准的RTD,一只用来做热源,一只用来测量流体温度,流体经过时,两者之间的温度差与流量的大小成非线性关系,该仪表就可以把这种关系转换为测量流量信号的线性输出。
利用热扩散原理制造的流量计有两种设计方法:一是基于恒温差原理;二是基于恒功率原理,基于共同的数据模型:P/▷T=A+B(Q)N。其中:P---耗散功率,▷T---两个传感器之间的温差,Q---质量流量,N---指数系数,A,B是与气体的热性能有关的系数。
恒温差原理:▷T保持不变,耗散功率P与流体的流量Q成指数函数递增的关系。
恒功率原理:耗散功率不变,温度差▷T与流体的流量Q成指数函数递减的关系。
产品特点
采用稳定性极高的专利技术铂RTD传感器;
采用专有技术“平衡结构封装”,介质温度自补偿;
专有算法,可实现高线性、高重复性、高精度;
量程比宽1000:1,可根据用户要求可拓展;
可实现大管径小流量的测量,最小流量可测低至零,分辨率0.01m/s,低流速测量非常灵敏;
无可动部件、振动影响可忽略;
直管段要求不高1-2D;
与介质的温度、压力无关,直接测量质量流量,无需温压补偿;
专有高温算法,介质温度可达+350℃;
对流量信号键入12点动态修正,内置10点修正;
在线动态校正电流/电压输出;
对粉尘小颗粒不敏感;
设计、选型方便,安装、使用简便,在线不断流装卸,维护方便。
性能指标
测量范围:0-120Nm/s(20℃,101.33KPa)
准确度:±1%的读数 ±0.5%满量程
量程比:通常100:1(取决于标定流量范围)
管径范围:10mm-6000mm
应用范围:适合各类单一或混合气体。含尘、含沙、含湿气、各种腐蚀气体
环境温度范围:-40℃~+85℃(无显示);-30℃~+70℃(有显示);湿度小于90RH
介质温度范围:-40℃~+100℃;-40℃~+200℃;-40℃~+350℃
传感器直径:3、2.5
插入式传感器勘探直径:19(标准)、16、12
传感器材质:304、316不锈钢、哈氏合金、钛
探杆材质(保护套):304、316不锈钢、哈氏合金
双向测量介质流量
模拟量输出:流量:4-20mADC,温度:4-20mADC,最大负载1000
累计脉冲输出
键入12段非线性修正,内置10段非线性修复
通讯:串口输出RS232/RS485
供电电源:24VDC/600mA;220VAC/13W;110VAC/15W
报警:1-2路继电器输出、5A/220V、5A/30VDC、键入设定
大屏幕LCD显示:七位瞬时流量,八位累计流量
过程压力:1.6MPa(最大20MPa)
安装工艺形式:插入式(卡套、卡套+球阀、法兰连接),管道式(法兰、螺纹连接)
防爆等级Exd II CT6
防护等级:IP65
流量计选型

 

H+WRSL

热式气体质量流量计

公称通径

圆形管道

-AI(20)、A(DN25)、B(DN32)、C(DN40)、D(DN50)、E(DN65)、
F(DN80)、G(DN100)、H(DN125)、I(DN150)、J(DN200)、K(DN250)、
L(DN300)、M(DN350)、N(DN400)、O(DN450)、P(DN500)、Q(DN600)、
R(DN700)、S(DN800)、T(DN900)、U(DN1000)、


V(DN1200)、W(DN1400)、X(DN1500)、Y(DN1600),如G,表示公称通径为DN100。特殊规格或大于DN1600的标明实际口径。

矩形管道

对应圆形管道公称通径表示法,例:长500mm,宽400mm,壁厚4mm的表示为P*N*4

安装形式

G

管道式

C

插入式

1

螺纹连接

2

法兰连接

3

在线连接

温度范围

D

-40℃~+100℃

E

-40℃~+200℃

F

-40℃-+450℃

公称压力

A

0~0.6Mpa

B

0~1Mpa

C

0~1.6Mpa

D

0~2.5Mpa

E

0~4Mpa

F

0~6.4Mpa

G

0~10Mpa

H

0~16Mpa

本体材质

S

304不锈钢

Q

316L不锈钢

L

其他

工艺材质

0

普通

F

防腐

D

防爆

H

高温

精度等级

A

0.5级

B

1.0级

C

1.5级

信号输出

A

无输出

B

4-20mA

C

RS485 MODBUS

D

HART

供电方式

E

220V AC

F

24V DC

 

5、结论:
  通过对热式流量计传热模型的分析,结合介质温度对恒功率热式流量计的影响,提出了一种简单易行的运用多项式拟合方法的温度补偿方法。与传统的硬件补偿方法相 比较,具有实现方便、成本低廉、工作可靠的优点。试验结果表明该补偿方法能够有效减小温度变化带来的测量误差,可以将测量误差减小至1. 5% 。

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