弯管流量传感器的在线应用
1 弯管流量传感器的特点及原理
目前用于测量流量的传感器种类很多,如电磁、涡轮、涡街、孔板、超声流量传感器等。在众多传感器中,因对流体介质,粘度及温度要求较高,大多无法满足工况要求。弯管流量传感器是一种新型流量传感器,它以其不易受被测流体的密度、粘度等参数影响,对流体介质种类、介质质量要求不高、传感器对流体造成的压力损失小、测量精度较高、便于维护以及低成本、低故障率等优点深受用户好评,很快在石油油井地下注水、污水排放、蒸汽、热水贸易计量等领域开始得到应用。
弯管流量传感器原理如下:
当流体流经弯曲管道时,基于惯性原理的离心作用,在弯管的内、外两侧会引起压力的变化,即外侧压力增大,内侧压力减小,经过人们大量的理论推导和实验研究表明,在满足一定条件下,流经管道的流体平均流速与这一内外侧压差有如下关系式:
式中:
V ―― 流体平均流速(m/s);
α ―― 综合流量系数;
R ―― 弯管曲率半径(m);
D ―― 弯管内径(m);
P1――弯管外侧压力(Pa)。
P2――弯管内侧压力(Pa);
β ――指数;
ρ ―― 流体介质的工况密度(k/m3)。
由此可见,对于特定的管道尺寸参数、介质情况及工作条件,弯管内外侧压力差与其流过流量存在着确定的函数关系,通过测取这一压力差,很容易实现流量测量。
2 弯管传感器
经过大量理论推导和实验,弯管的弯径比是理论模型中唯一的几何特征参量,对流量测量起着重要的作用。弯径比是指弯管的内径中心线圆弧的曲率半径R和弯管的内径D的比值,即R/D。由于弯管曲率半径R是一条无形的空间曲线,不能用简单的方法直接将其准确地测量出来,因此弯径比的测量必须通过间接测量确定。目前已有专用的测量仪器运用等弦几何测量法精确测量弯径比。如果测得值在控制值范围内,则表明其几何形状的相似性,其相对标准不确定度可控制在0.5%以内。经大量实流标定验证,与二次仪表配合使用,可实现1.0级准确度。
3 智能弯管流量热量积算仪
智能弯管流量热量积算仪与智能流量热量积算仪硬件结构大致相同,有所区别的是种积算仪专门与弯管流量传感器配套使用,其内部流量计算公式专为弯管所设计,具备一般的瞬时流量、瞬时热量、温度、压力测量功能并显示和累积。为保证高测量精度,该仪表除采用实时运算补偿法进行流量测量的温度压力补偿外,同时也采用实时运算补偿法进行管径的热膨胀修正,具体修正值的大小是根据实测的温度值和弯管传感器实际材质的线膨胀系数运算求得的。这些补偿和修正使仪表测量精度得到了可靠的保证。
所有输入信号均为模拟量4~20mA.DC,仪表准确度为:0.2%FS。
这种仪表流量输入信号为电流型4~20mA.DC信号,除质量流量演算方法有区别外,其他计量性能与智能流量热量积算仪大致相同,这里只介绍瞬时流量理论值计算公式:
式中:
qm―― 为质量流量(kg/h);
Dt ―― 为经温度修正后的管道内径(m);
α ―― 综合流量系数;
R/D ―― 弯径比;
△P ―― 弯管中内外侧压差(Pa);
ρ ―― 流体的工况密度(kg/m3)。
上式中,差压变送器实时测量的差压电流信号经开方运算反映出流量值,密度参数决定于流体压力与温度,压力变送器和温度变送器将测得的管道上游压力及温度信号以4~20mA DC信号形式输入仪表,在仪表中生成工况密度,进行流量的在线补偿运算。由于影响弯径比的参量主要是温度,所以仪表也考虑了温度对其影响的修正。
热量计算分别在水蒸汽和热水两种工况下作了设定。计算公式为:
Q=qm(hs-hr) (热水)
Q=Qmhs (水蒸气)
Q ――瞬时热量(kJ);
qm――质量流量(kg/h);
hs ――热焓值(供水),hs=f(P,t)(kJ/kg);
hr ―― 热焓值(回水),hr=f(p,t)(kJ/kg)。
4 结束语
目前弯管流量传感器及其配套仪表有一体化的趋势,逐步克服其自身不足,优势日趋明显,且易在液体流量标准装置上进行标定,确保其测量精度,值得推广应用。
参考文献
[1] JJG640-1994差压式流量计检定规程
[2] JJG164-2000液体流量标准装置检定规程