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热扩散式气体流量计测量方法研究

时间:2017-09-05 17:15 来源:http://www.shslgs.com 点击数:

热式气体流量计是一种新型智能工业仪表,广泛应用在各种工业场合。气体流量作为核电站通风系统的重要 参数,海南昌江核电厂CNP650堆型核辅助厂房通风系统烟囱排气流量监测采用了美国FCI公司的MT86 热式质量流量计。研究以此为背景,对热扩散式气体流量特点、工作原理测量方法等进行总结,以期能更 好地使用和维护设备。

0.引言

差压式气体流量计根据流动连续性原理和伯努利方程推 算出的差压与流量的关系"依靠测量在管道中安装的节流装 置前后差压再通过变送器计算测得流量。根据差压式流量计 的基本公式"气体密度直接参与流量的计算,而气体温度和 压力变化会使气体密度也发生相应的改变,因而差压式气体 流量计会在气体的温度和压力发生变化的时带来了较大的测 量误差。核电厂烟肉排气流量作为核电厂排放废气重要参考 参数和事故后监测的重要参数,其测量结果准确与否直接影 响到电厂的安全运行。热式气体质量流量计在气体质量流量 测量领域是一种新型流量计,其测量原理与差压式完全不 同,可以有效避免因气体压力和温度变化而引起的测量误 差,海南昌江核电1! 2号机组相比参考电站,其核辅助厂房 通风系统烟囱排气流量监测在国内首次采用了热扩赋流量计。

1.热扩散式气体流量计简介

热扩散式气体流量计是根据热传导原理设计的,即流 动中的气体与热源之间的热量交换关系来测量气体质量流 量的一种自动化仪表。以美国FCI公司生产制造的 MT86型热扩散式气体流量计为例,其典型结构由若干个 传感点组成,每个传感点包括2对尺寸和形状完全相同的 热套管。一对热套管中含有一个加热元件和一个铂热电阻 温度探测器,另一对热套管中含有一个空套管和一个参照 用铂热电阻温度探测器。气体流过探头由于换热造成热量 的损失与气体流速成比例关系,根据铂热电阻的变化(或 加热元件功率变化即可推算出流速的大小。

2.热扩散式气体流量计的特点

相比较传统的差压式气体流量计,热扩散式气体流量 计有以下特点:

(1)传感器结构坚固,耐腐蚀性强,无需大量的维护 工作)

⑵使用场合广泛,能适应各种不同的管径,量程范围 大,量程比高)⑶精确度高且重复性好,FCI公司的MT86 型精度可达1JF.S (4)反应速度较快,防过载能力强。5) 无需在管道中安装大型阻流件,因此压力损失很小,基本忽 略不计。6)结构简单,出现故障的概率小,可维护性比较 好。(7)价格昂贵,响应速度较慢。

3.测量原理

热扩散式质量流量计是基于金氏定律(King’s Law)结合 现代微电子技术新开发出的新型热式质量流量计。通过检 测因流体流动时加热元件因热量损失而引起温度变化,在变 送器的换算下测得流量。传感点中的两个铂热电阻,一个作 为活动测量端,用于现(量加热元件的温度(下文称Rs)另一 个则用于测量被测流体温度(下文简称RT)

基于金式定律,热式质量测量原理分为恒功率法和恒 温差法两种。恒功率法顾名思义是指供给加热元件的功率 保持恒定。恒温差法是指加热元件表面温度和被测流体之差恒定。

3.1恒功率测量法

恒功率法工作是流量计上的加热元件以恒定功率提供能 量,使加热元件的温度高于待测气体的温度。流量计在工作 时,RT检测待测气体的温度,RS则检测加热元件表面的温 度。当气体流动时,由于散热带走加热元件所产生的热量, 使加热元件表面温度降低,此时RS的阻值随之发生变化。 当气体静止时,加热元件的热量无法散发,两个铂电阻之间 的温度差最大。随着气体流速的增加,冷却效果的加强,加 热元件表面温度降低,两个铂电阻之间的温差变小。由此可 知两支铂热电阻的温差与质量流量成反比的关系。则现(量随 流体流量变动而弓I起的温度变化量,即可推算得出气体流量。

但该种测量方法在测量气体的质量流量时,加热元件的 功率恒定决定了加热元件的发热量也是恒定的。而两个铂热 电阻之间的温度差不仅取决于气体的流速,还取决于其测量 气体的温度。但流量计根据使用场合的不同,在特定的环境下对其进行标定,如忽略了 H(速铂电阻随温度的变化,就会 造成较大的误差,因而使用该种测量方法,如待测气体温度 变化比较频繁,则要对RS随气体温度变化进行补偿。

3.2恒温差测量法

恒温差法同样引入加热元件这样的外部热源,但是与恒 功率不同:当气体流动因强迫对流换损失热量,通过加热 元件的供给功率的变化,使加热元件和被测气体的温度差保 持不变,功率随流量的变化而变化,功率的消耗与气体流量 大小成对关系。气体静止时,由于没有强迫对流换热,此 时维持加热元件和气体温度差恒定所需的功率最小,当气体 流动时,RT检狈(气体的温度,由于对流换热散热,加热元件 表面温度降低,为维持加热元件温度恒定,控制和改变加热 元件的  率, 气体  持不变。 流体的流量越大,冷却效果就越强,则为保持温度差不变,则 所输人功率越大。加热元件的功率与质量流量成正比的关 系。在生产制造时可以通过实验的方法标定出加热元件功率 和质量流量的对应关系,就实现了气体质量流量的测量。

恒温差测量法相比于恒功率测量法,RS尽管不受气 体温度变化的影响,但随着流量的增加散热加快,加热元 件的热量被迅速带走,那么供给加热元件的功率就必须要 迅速增加才能使加热元件供热增加,使温差不变维持恒定 的温差。但是功率变化受到了电源、供电电路、加热元 件最大允许电流等因素的影响,功率的改变就受到了一定程度的限制,由此其可测量的范围也受到了限制。

综上,对这两种测量方法进行比较,恒功率法由于其原理不受功率供给的限制,则其量程范围较广;而恒温差法 则由于其温度场分布没有变化,因此不受检现(元件响应时的影  应速  快。   的气体流量计均不容易受介质成分的影响,不存在传统差压式 流量计的引压管堵塞等问题。

4.结语

以美国FCI公司生产制造的MT86型热扩散式气体流量 计在海南昌江核电厂烟囱流量测量上得到了很好的应用,热 式质量流量计在精度、压力损失、安装便利性、可维护性等 方面比传统的差压式气体流量计具有一定的优势,其可靠性 减少了日常维护的工作。本文通过对其特点、结构的介绍, 着重对其工作原理深人的分析研究,比较和总结两种测量方 法的优缺点,对在各种工艺场合热扩散式流量计的使用具有 一定的指导意义。同时为日后的维护提供了可参考的意见, 使之能够提供提供更为准确的测量结果,适应和满足日常生 产和系统工况的需求。