摘要：本文介紹智能探針式蒸汽流量計的親統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、流量積算儀的功能及其實現(xiàn)方法，給出親統(tǒng)標(biāo)定和測試的方法，提出該儀喜的應(yīng)用前景。
1引言
蒸汽流量的準(zhǔn)確測量是國內(nèi)外工程界面臨的一個難題。雖然測量流量的設(shè)備和儀器很多，例如渦輪流量計、電磁流量計、孔板流量計，以及近年新開發(fā)的渦街流量計等，但都因使用溫度的限制或精度不夠而難以用于高溫過熱蒸汽流量的精確測量。以目前國內(nèi)最常見的孔板流量計為例，準(zhǔn)確測量范圍較窄，在流量為額定值的30%以下時，測量值偏小而引起較大誤差，當(dāng)流量小于10%額定值時，已經(jīng)感測不到壓差。而且孔板使用一段時間后因磨損將引起很大的附加誤差：同時孔板會造成約0.3kg/cm2的壓力損失，熱網(wǎng)中通常存在多級流量測量系統(tǒng)，由孔板壓損造成的能量損失是巨大的；另外孔板安裝需斷開蒸汽管道，初裝和更換工作都非常復(fù)雜。針對以上情況，我們研制了一種適用性強、性能先進(jìn)的流量計——智能探針式蒸汽流量計，用于熱電廠和化工廠的蒸汽流量的測量。本系統(tǒng)經(jīng)中國計量科學(xué)研究院空氣測試，在全量程范圍內(nèi)誤差小于0.9%。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理
測試系統(tǒng)由一次儀表和二次儀表構(gòu)成。
一次儀表包括速度探針、溫度傳感器、壓力傳感器及壓差傳感器；二次儀表有溫度變送器、壓力變送器、壓差變送器與自行研制的智能流量積算儀。
2.1智能探針式蒸汽流量計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖2-1）
2.2系統(tǒng)測試原理[]
2.2.1速度探針測速原理氣動速度探針是一種小尺寸的小金屬管形探針。置于氣流中可以測得氣流靜壓及總壓與靜壓之差。當(dāng)氣流速度比較低時氣流速度與總壓一—靜壓差之間有以下的關(guān)系：
其中：g——重力加速度，m/s2
y——流體密度，kg/m2，決定于蒸汽的壓力、溫度
V——流體速度.m/s P·—一流體總壓；P——流體靜壓；單位均為kgf/m2由于制造上的誤差，探針?biāo)鶞y得壓力可能
與真實的壓力有一定的偏差，可以通過校正系數(shù)進(jìn)行修正：
其中：△P為真實壓差；△P。為探針的輸出壓差，單位kgf/m2。
于是可以得到由探針的實測壓差計算速度的公式：
2.2.2管道蒸汽流量測量
管道蒸汽流量與流速關(guān)系為：
其中：G——蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；F——管道截面積（可由內(nèi)徑算出），m2
y——氣流密度，kg/m3
——平均速度，m/s V..——最大速度，m/s K——比例系數(shù)
再與式2-3結(jié)合起來，可得：
其中總的校正系數(shù)為：
在流量測量系統(tǒng)中，由氣動速度探針取得壓力P和壓差（△P）c，通過壓力傳感器和壓差傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺粶囟扔呻娮铚囟扔嫽驘崤紲y量，也輸出電信號。這些信號經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后在流量積算儀中按上式運算后得到被測流量G，直接顯示出來。管道直徑d作為已知量置入計算程序中。通過對探針的校正試驗和對管道的速度剖面測量確定K’的計算公式，運行中K’根據(jù)公式動態(tài)修正。
3流量積算儀的功能與實現(xiàn)
3.1流量積算儀具有以下功能
（1）參數(shù)設(shè)定：可設(shè)定工質(zhì)溫限、壓力限、壓差限、管徑、最大流量、系統(tǒng)修正系數(shù)以及濾波時間間隔等；
（2）信號變換及處理：把采集到的三路電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并對信號進(jìn)行時間常數(shù)可變的數(shù)字濾波處理（時間常數(shù)設(shè)定值不影響精度）；
（3）采樣計算：每間隔所設(shè)定時間，根據(jù)轉(zhuǎn)換得的數(shù)字信號計算流量，根據(jù)雷諾數(shù)，進(jìn)行補償計算；
（4）計算結(jié)果顯示：可顯示瞬時流量、累積流量、瞬時熱量和累積熱量，并能顯示當(dāng)前溫度、壓力、壓差值；
（5）數(shù)據(jù)保存：對設(shè)定值和累積值能長期保存：
（6）具有指示瞬時流量的D/A輸出，該輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓（0~5V或1~5V）和電流信號（0～
10mA或4~20mA），可作為記錄儀等工業(yè)儀表的輸入信號；
（7）可通過串行通訊口（RS232或RS485）同上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)和命令；
（8）可附加開關(guān)量控制模塊，以根據(jù)計算或
上位機(jī)命令對現(xiàn)場機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡單控制；
（9）可連接微型打印機(jī)打印測量數(shù)據(jù)和曲線。
3.2流量積算儀功能實現(xiàn)3.2.1硬件實現(xiàn)[3]
本儀器采用Inte18098為中央處理器，配合多個外部模塊完成整機(jī)功能。同時具有擴(kuò)展插槽，可擴(kuò)展附加功能（見上述功能7-9）。儀表中還具有監(jiān)視功能的WATCHDOG，使儀表運行時不會鎖死，從而保證計量的連續(xù)性。整機(jī)結(jié)構(gòu)及各模塊的關(guān)系如圖3-1所示：
3.2.2軟件實現(xiàn)[]
本軟件用PL/M語言編寫，由一個主程序和兩個中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)整機(jī)的運行以及對計算模塊和設(shè)定模塊的調(diào)用，兩個中斷服務(wù)程序分別負(fù)責(zé)顯示的切換和采樣及儀表的時間基準(zhǔn)。程序模塊及結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。
4系統(tǒng)標(biāo)定與測試
4.1系統(tǒng)標(biāo)定
本系統(tǒng)應(yīng)用速度一面積法測流量，對于不同的蒸汽管道和不同的蒸汽流速，前面式（2一4）中的修正系數(shù)K值不同而不同的靜壓皮托管校正系數(shù)了也可能互異，為了保證測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和一致性，需要對K值與5進(jìn)行標(biāo)定。我們稱之為原理性標(biāo)定和一致性標(biāo)定。
4.1.1原理性標(biāo)定
從流體力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)相似原理，兩個幾何上相似的流束，如果它們的雷諾數(shù)相等，則流束在流體動力學(xué)上是相似的，這時其流量（出）系數(shù)也是相等的?；谶@個原則，對蒸汽流量計標(biāo)定時，只需以壓縮空氣為工質(zhì)，得出在不同雷諾數(shù)下的流量修正系數(shù)，即K~f（Re），這一關(guān)系式適用于其它工質(zhì)。
在中國計量院真空吸入式流量計標(biāo)定裝置上，我們對整個流量計系統(tǒng)進(jìn)行了全流量范圍的標(biāo)定。得到了五種流量（雷諾數(shù)）下的流量修正系數(shù)，并擬合出K~f（Re）的連續(xù)曲線，對流量計計算流量做動態(tài)（修正系數(shù)隨流量變化）修正。
4.1.2一致性標(biāo)定
把原理性標(biāo)定中使用的皮托管作為基準(zhǔn)皮托管，其它皮托管與它在本實驗室的射流式校正風(fēng)洞上進(jìn)行標(biāo)定，得到各皮托管的校正系數(shù)E。
4.2系統(tǒng)測試
我們對3套標(biāo)定后的系統(tǒng)在中國計量科學(xué)研究院以空氣為工質(zhì)進(jìn)行流量測試。在從240（小于20%額定流量）至1320kg/h的流量范圍內(nèi)，誤差均在士0.9%以內(nèi)。
5特點與應(yīng)用前景
智能探針式蒸汽流量計的優(yōu)點是十分顯著的：氣動探針僅是一根幾毫米粗的管子，不僅壓力損失極小，而且不會破壞管道內(nèi)汽流的流動狀態(tài)，大流量和小流量時均可獲得較高的測量精度，安裝維修又極為方便；另外，與氣動探針相匹配的二次儀表，采用壓電轉(zhuǎn)換式壓力和壓差變送器，其體積小巧，可靠性好，工作穩(wěn)定，測量精度高，易于維修，且價格可以接受；而流量積算儀，功能完備、操作簡單、準(zhǔn)確度高、擴(kuò)展能力強。
本測量系統(tǒng)適用于需對工質(zhì)（水、空氣或過熱蒸汽）的流量進(jìn)行經(jīng)常性監(jiān)測的管道系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在無錫雙河尖熱電廠等多處成功應(yīng)用，并可望在國內(nèi)熱力、化工系統(tǒng)廣泛推廣。
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