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利用传热原理检测流量--COMBIMASS系列热扩散质量流量计

2016-1-20 9:18:11      点击:
利用传热原理检测流量--COMBIMASS系列热扩散质量流量计
  

摘 要:热式流量计是利用热学传热原理检测流量的仪表(利用流体通道内或管壁外与加热体之间的热量交换关系来测流量)。20世纪60年代美国在为宇航业所需要的气体提供流量控制时,开发出了热式质量流量计产品,其后广泛应用于半导体工业制造设备上,得到很大发展,而后又扩展到其他工业领域。

关键字:热式流量计



   

Binder公司自行开发、研制、生产的COMBIMASS系列热式流量计

    热式流量计是利用热学传热原理检测流量的仪表(利用流体通道内或管壁外与加热体之间的热量交换关系来测流量)。20世纪60年代美国在为宇航业所需要的气体提供流量控制时,开发出了热式质量流量计产品,其后广泛应用于半导体工业制造设备上,得到很大发展,而后又扩展到其他工业领域。

    热式流量计按检测元件与热源间热交换作用分为热量传递转移效应的热分布式仪表和基于金氏定律的热扩散效应侵入式仪表,侵入式仪表结构上又按热检测元件进入管道的种类分为插入(管道)型和接入(管道)型,热分布式只有接入管道方式。插入型热扩散效应仪表是由一组或多组检测元件组成的独立检测探头和转换器组成,多组热检测元件仪表,通常用于大管径内气体流量测量,如大型通风管道,烟道圆管或矩形管。

    随着工业生产免费送彩金288的飞跃发展,流量测量面临的任务更加繁重,要求也越来越高。由于物料平衡,热平衡以及储存,经济核算等所需要的都是质量而并非体积,所以在测量工作中,常常需要将已测出的体积流量,乘以密度换算成质量流量。由于密度是随着流体的温度和压力的变化而变化,在多数场合下,如果管路确定并保持某个一定的工作状态,流体的温度和压力的变化较小,则流体的密度变动也较小,可忽略其影响。这种情况下,一般用体积流量测量的方法就可达到测量目的。而在温度和压力变化很大的状态下,流体的密度变化大,这使得体积流量测量的方法毫无意义,更谈不上准确性,这时就需要采用精度更高的质量测量方法。近年来,直接检测质量流量方法的所谓直接式质量流量计已实用化,通常不受介质温度,压力波动的影响,如孔板、涡街、超声波等,无需压力和温度测量单元,可直接由质量流量转换到标况流量(Nm3/h),便于用户的计量核算需求。

图1 热扩散式测量原理图

    热扩散式测量原理

    流量传感器包括两个热电阻: 一个是参考探头,一个是加热探头。气体流过加热探头时,会带走一部分热量,探头被冷却,损失的热量和质量流量成函数关系,Q = qM Cp T 。其中:Q= 吸收的热量,qM=气体质量流量,Cp=气体的比热容,T=温度差。

    该函数关系经过推导得到:qM=Q/Cp·T。当T=常数时,我们可以得qM=f(Q)的函数关系。将加热探头与参比探头之间的温度差,始终控制在某一定值,检测需要的加热电流,从而得到相对应的质量流量,该工作原理我们称之为恒温差原理。流量测量的响应时间非常快,通常能达到几个毫秒,即使非常高的流速也能进行测量,但其对电子器件的质量要求非常高,如何精确地控制加热电流非常关键。另外由于其响应速度非常快,在实际使用过程中通常需要加上一定的阻尼时间,否则流量波动比较大,对外界干扰也比较敏感,如粉尘、杂质、冷凝物混在所测量的气体介质内。通常这种原理的热扩散式气体质量流量计可用于测试和标定装置上各种干净气体的测量以及动态过程的监视。

图2 热式流量计

    当Q = 常数时, 我们可以得到qM=f (1/T)的函数关系,以恒定的加热电流作用在加热探头上,检测加热探头与参比探头之间的温度差,从而得到相对应的质量流量计,该工作原理我们称之为恒功率原理。使用热电阻进行温度差的测量,热电阻电子元器件的效果非常好,检测输出信号稳定性好,对外界干扰不敏感,如粉尘、杂质、冷凝物混在所测量的气体介质内,即使是小流量也能达到精确测量,如汽车尾气,烟道气等,检测响应时间大概是几秒钟左右。通常这种原理的热扩散气体质量流量计可用于各种流程工业测量与控制使用,如化工、石化、电厂、钢铁和水处理等。

    COMBIMASS系列热式流量计

    COMBIMASS系列热式流量计是由德国Binder公司自行开发,研制,生产的热式流量计,有超过40年的为客户提供现场测量与控制解决方案的专业经验,特别是在比较困难的工况也能提供特殊的解决方案。Binder公司还可以根据用户的现场应用要求,提供恒温差或者恒功率两种原理的热扩散式气体质量流量计。

图3 实验室标定。

    COMBIMASS流量计的优点

    对不同工况选择合适的传感器是精确气体流量测量的关键,Binder公司的传感器使用一根棒材加工而成,无焊接点,保证了良好的使用寿命。因为一般工业仪表在实际现场使用过程中,与测量介质接触部件受到损坏通常是在焊接点处最先遭到破坏。传感器部件几乎无压力损失,不会产生卫生死角,堵塞等情况,影响到传感器信号的采样。高精度的热电阻,采样信号优异的长期稳定性,信号漂移很小。与介质接触部件的材质标准配置为不锈钢,可根据介质的情况提供多种选择,如:哈氏合金、钽、因康镍合金等,也可根据用户的工况条件特殊定制。电子器件机壳使用全不锈钢,即使在恶劣的环境下,也能保证良好的耐环境腐蚀性。可选购特殊设计的不锈钢压紧部件过程接口,该过程接口经过特殊设计,可保证从管道上多次拆卸流量计不会损坏。根据不同介质的情况选择不同类型的 COMBIMASS系列流量计,最高介质温度可达800℃,最高压力可达100 bar,量程比宽,最高可达1000:1,最大流速可达400 Nm/s。

    多种测量方案

    Binder公司可以根据用户实际现场工况和测量要求提供单点测量,单点特殊测量,多点测量等解决方案。单点测量就是直接使用单台流量计测量管道中的实际气体流量。单点特殊测量是组合使用COMBIMASS流量计和COMBIMASS master控制器,主要针对有特殊需求的应用要求,将流量计信号接入到控制器,该控制器带有输入/输出通道,用于控制需求,具有数据记录、分析、诊断和显示功能。多点测量主要应用大管道的流量测量,将分布在管道截面上的多个流量计信号接入COMBIMASS multi控制器进行处理,得到一个精确的流量值,该控制器带有多个输入/输出通道,用于控制需求,具有数据记录、分析、诊断和显示功能。

图4 流动调整器

    CAMASS特殊标定免费送彩金288

    Binder公司的每台流量计出厂前将在CAMASS标定中心进行测试标定,模拟实际被测量介质成分、压力、温度和流量范围。

    通常热扩散流量计如果计入流通通道面积测量误差,速度分布系数变化等不确定因素,综合在一起测量误差大约在2.5%~5%的满量程值之间,所以该类型仪表只有经实流标定后,能达到较高的精确度。在现场安装条件下校准,或在相同于现场安装条件的扰动阻流件与仪表一起,在实验室实流校验装置上校准。

    Binder公司的CAMASS标定中心也可以提供特殊标定,模拟现场的安装条件,如管道现场安装情况,可以补偿由于管道布置导致流态的失真对流量测量的影响,这样现场直管段不足导致管道流态不规则的情况,也能保证精确测量。

    流动调整器

    流量计上游的扰动源有螺旋式焊缝管和各类阻流管件(如弯管、异径管、支管和阀),产生的漩涡或脉动流,在各类管件中遇到最多的是弯管和各种弯管组合(如同平面双弯管和立体双弯管),各类流量仪表对上游流动扰动的敏感程度不一,因此要提出各自的安装要求。

    Binder公司针对流量计上游的流态不规则,现场前后直管段无法达到理想要求,提供另外一种解决方案是在流量计前安装流态调整器,可以调整管道中气体的流动分布,几乎无压力损失,安装该设备通常流量计前后直管段只要3~7D左右。设备经久耐用,可以有效保证流量测量精度。

图5 任何时候热式流量计都能显示正确的质量流量,因为通过一个热传递传感器补偿了气体组分变化的影响。

    特殊应用案例

    变组分气体测量

    变组分气体的流量测量一直是流量测量方面的难点,特别是该混合气体中含有H2成分。H2组分有变化时,对热式流量计测量影响非常大。

    如火炬气流速通常极低,在低流量时的典型流速范围为0.01~15m/s,而事故时,短时间内火炬气流速能达到60m/s,因此,测量流量计需要很高的量程比;火炬气组分包括不同的碳氢化合物、H2、H2S、CO2、N2等,每种气体的相对百分比也在持续变化,从而决定了火炬气的平均分子量及密度也不断变化;火炬气系统的操作压力极低,经常只有几毫巴;火炬气主管线的管径很大,一般直径在500mm以上;非插入式测量仪表测量和安装都非常困难;火炬气中的油脂和污物较多,容易使传感元件结垢和堵塞,因此带小孔和活动的传感元件的应用受到限制;火炬气的温度变化范围很大,从零下几十度的低温到三、四百度的高温变化。

    火炬气的质量流量较体积流量更有实用价值;而对测量质量流量来说,某些如涡轮流量计等测量体积流量的仪表从原理上便无法满足;从理论上讲, 差压或涡街流量计如加上温压补偿可以测量质量流量,但对实际生产中的火炬气来说确定补偿的基准点是非常难的,或者说根本没有基准点。

    Binder公司研发了针对这种特殊工况应用的解决方案,在管道上安装了2台热式流量计,2台流量计信号接入到1个专用的控制器内进行数据的补偿和处理,可以显示和输出经过补偿后的气体流量。2台流量计在管道上安装位置的间距特殊定义,在出厂前流量标定时按照此安装位置进行实际工况气体标定,其中1 台热式流量计用于流量的测量,另外1台流量计用于检测气体组分变化,特别是H2组分变化对流量测量的影响,该补偿的流量计安装在管道上人为制造的一个零流量区域,主要测量气体组分变化导致比热容变化Cp影响的气体流量读数。

    沼气测量

    沼气是一种混合气体,其中主要成分是甲烷,占总气体体积的50%~70%,其次是CO2占30%~40%,除此以外,含有少量的氮、氢、氧、氨、CO和H2S气体,甲烷、氨和CO是可燃气体。其特殊性在于多组分气体,含量容易变化,潮湿,有腐蚀性,含固体颗粒。

    用于沼气,污水处理厂消化气,垃圾填埋厂掩埋气体的稳定,精确和有效的沼气测量系统的市场需求逐渐增多,由于沼气当中的气体组分一直变化,所以集成气体成分分析的流量测量系统具有巨大的市场潜力,可以保证有效的精确测量,甚至是在变化的工况条件下。

    对于最先进的沼气系统来说,如果没有精确的在线流量测量和成分分析免费送彩金288,很难实现沼气系统运行经济有效和环保,在发酵的每个阶段有必要知道沼气的成份和质量。Binder公司可提供气体分析和流量测量系统,移动站式操作,用于沼气,污水处理厂消化气,垃圾填埋厂掩埋气体的成分和质量分析。

友情提醒:购买质量流量计,请您拨打全国统一服务热线400-0592-364,选型请提供管道口径、介质常用温度、介质压力、流量范围、介质名称,输出信号等质量流量计的免费送彩金288参数和要求。了解质量流量计品牌、详细信息、产品价格、使用说明,敬请详细阅读本网页。
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