CN102645248A

CN102645248A - 一种自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法

Info

Publication number: CN102645248A
Application number: CN2012101542408A
Authority: CN
Inventors: 张洪军; 赵周琳; 赵伟国
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN102645248B

Abstract

本发明公开了一种自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，包括如下步骤：采用热式速度传感器测量得到流体温度信号和速度信号；采用压力传感器测量得到压力信号；将所述速度信号送入热式流量计模块和旋进旋涡流量计模块，得到热式流量数据Q_热；将所述流体温度信号和压力信号送入旋进旋涡流量计模块，得到旋进旋涡流量数据Q_旋；将流量范围分为小流量、中等流量和大流量三段，在整个流量范围内，流量输出采用热式流量数据Q_热；在中等流量范围内，旋进旋涡流量数据Q_旋与热式流量数据Q_热进行比较，对热式流量计仪表系数进行校正。本方法采用组合式流量计兼有热式和旋进旋涡两种流量计的优点，测量范围度大，并具有自校正功能。

Description

一种自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法

技术领域

本发明涉及一种流量测量方法，具体地是一种自校正的热式与旋进旋涡组合气体流量测量方法。

背景技术

热式流量计是利用热扩散原理设计而成的流量检测仪表，一般用来测量气体质量流量。热式气体流量计分为浸入型、热分布型和边界层型。以浸入型为例来说明热式流量计的工作原理。在管道中设置带有1个加热元件的流速探头和1个温度探头，流体流过加热元件时带走热量。忽略辐射和导热作用，电子加热元件的电热功率等于单位时间内流体对流换热所带走的热量，即

（1）

式中，E为作用在加热元件上的加热电压，R为加热元件的电阻，h为表面传热系数，为流速，

为传热面积、T _u为速度探头的温度，T是温度探头测得的流体温度。

根据传热学理论，表面传热系数与流速和密度有关：

（2）

式中，a ₀、a ₁和n是经验确定的常数，ρ是流体密度。

根据（1）、（2）可得到流速

（3）

保持温差（

）或电功率

恒定，测量电功率或（

），可得到流速。根据保持温差（

）或电功率恒定，热式流量计分为等温型和等功率型，其中等温型对流速变化反应比较快。测得流速后，根据速度面积法可获得流量。

与涡轮流量计、涡街流量计、差压式流量计和容积式流量计等相比，热式气体流量计具有压损小，精度高，测量范围大，无可动部件以及能够测量极低流速等诸多优点，而且用于测量质量流量时，无需温度、压力修正。另一方面，热式流量计也有一些缺点，如：热传感头长期加热老化和脏污会产生热漂移，影响测量精度；热式流量计是速度式流量计，对前后直管段要求较长，一般为前10后5。

旋进旋涡流量计是依据旋涡进动现象为机理而制成的流量计。所谓的旋涡进动现象是指受到周围约束的旋流在通过截面扩大的管道时，旋流的旋转中心轴会作进动。如图1所示，经过起旋器后，流体形成旋涡流，其中心为“涡核”，外围是环流。旋涡流由起旋器形成后，经过一段形似文丘里管的收缩段和喉部后加速，经喉部获得一段短暂的稳定，进入扩张段急剧减速，压力上升，此时旋涡中心区的压力比周围压力低，于是产生局部回流，涡核偏离中心轴，在扩张段内围绕流量计的轴线作类似螺旋状的进动。旋涡进动频率f与流量q _v成正比，即

（4）

式中，

为旋进旋涡流量计仪表系数，

只与仪表结构参数有关，而与流体的物理性质和成分无关。

旋进旋涡流量计与涡街流量计、射流流量计属同类型的振动式流量计。旋进旋涡流量计适应性广，上、下游直管段要求低，对介质要求不高，稳定性好，无可动部件，便于维护，因而在气体、液体、蒸汽特别是腐蚀性以及较脏的流体计量中有很大优势。从大量的使用企业反馈的信息看来，在使用旋进旋涡流量计中主要的问题有：截止频率的设置具有随意性；对噪声或振动等干扰信号较为敏感；压力损失较大，是涡街流量计压损的4~5倍；小流量信号微弱，使用中受到限制。

发明内容

要解决的主要问题是结合热式与旋进旋涡流量计各自优点，克服各自不足。为此，本发明的目的在于提供一种自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，包括如下步骤：

采用热式速度传感器（3）测量得到流体温度信号和速度信号；

采用压力传感器（5）测量得到压力信号；

将所述速度信号送入热式流量计模块和旋进旋涡流量计模块，得到热式流量数据Q_热；

将所述流体温度信号和压力信号送入旋进旋涡流量计模块，得到旋进旋涡流量数据Q_旋；

将流量范围分为小流量、中等流量和大流量三段，在整个流量范围内，流量输出采用热式流量数据Q_热；在中等流量范围内，旋进旋涡流量数据Q_旋与热式流量数据Q_热进行比较，对热式流量计仪表系数进行校正。

所述的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中设置两个流量分界线为Q₁和Q₂，Q_热小于Q₁为小流线范围，Q_热大于Q₁且小于Q₂为中等流量范围，Q_热大于为Q₂为大流量范围。

所述的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中当Q_热处于中等流量范围内，比较Q_热和Q_旋的差值与设定最大偏差，若差值大于

，对热式流量计仪表系数进行校正，采用校正后测得的Q_热作为流量输出。

所述的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中采用100Hz-300Hz为所述旋进旋涡流量计模块的工作频率范围。

本发明的目的基于如下构思实现：

1）对于传统的旋进旋涡流量计结构，采用高频响热式传感器来检测流动速度信号。所获得信号分别采用热式流量计原理和旋进旋涡流量计原理进行处理分析，并各自得到流量数据。对于安装于旋进旋涡流量计中的热式传感器，其检测到的是具有直流量动态信号，该信号平均值可用于热式流量计处理分析得到流量，而脉动值可用于旋进旋涡流量计获得脉冲频率进而得到流量。

2）将流量范围分为小流量、中等流量和大流量三段，由热式流量信号作为依据划分流量段。在整个流量范围内，流量输出采用热式流量计数据；在中等流量范围内，旋进旋涡流量计数据用来与热式流量计数据进行比对，当二者数值之差超过规定时，对热式流量计仪表系数进行重新设定，即校正。这种做法主要是利用旋进旋涡流量计稳定性好的特点，来随时修正热式传感器由于各种原因导致的漂移，保证在使用期间测量数据的准确性。另外，由于热式传感器频响不高，在大流量时由于进动频率太高可能造成旋进旋涡流量计不能正常工作，旋进旋涡流量计只工作在中等流量范围可降低传感器频响参数要求。

3）流速测量模块采用等温型工作模式，即保持温差（

）恒定，检测电功率

数值，得到瞬时流速。旋进旋涡流量计工作频率一般为10Hz-1000Hz，而热式传感器不易做到很高频响，综合考虑，热式流速传感器及其工作电路的频响速度不低于300Hz。300Hz的频响对于热式传感器不难做到，而选择100Hz-300Hz为本方法中的工作频率范围，能够保证旋进旋涡流量测量部分工作在较佳状态，输出数据可靠。

本发明具有的有益效果是：

1）保持了热式和旋进旋涡两种流量计各自优点，克服了各自缺点。基于本方法的流量计范围度与一般热式气体流量计接近，可达1：100以上；该组合式流量测量方法对于上下游直管段要求与常规旋进旋涡流量计类似，一般前3后1即可。

2）该组合式流量计采用热式流速传感器，对噪声或振动等干扰信号不敏感，仪表抗干扰能力强；同时由于本旋进旋涡流量计只工作在中等流量，截止频率可设在合理数值，克服了传统旋进旋涡流量计在设置截止频率方面的困难，消除了传统旋进旋涡流量计小流量“漏计”和外界微弱振动或杂散信号引起的“多计”问题。

3）该组合式流量计具有自校正功能，即，在中等流量时旋进旋涡流量计测量数据准确，在此范围内随时以旋进旋涡流量计数据对热式流量计进行校正，可以降低热式气体流量计由于探头脏污引起信号漂移而造成的测量误差，延长流量计的有效工作期限。

4）由于本方法中旋进旋涡流量计模块只工作在部分流量范围，起旋器起旋效果要求降低，可设计较低压损起旋器，降低整个流量计的压力损失。

附图说明

图1是旋进旋涡流量计旋涡进动示意图；

图2是基于热式-旋进旋涡组合式气体流量方法的流量计结构示意图；

图3是热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法的信号处理原理框图；

图4是热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法的自动校正曲线示意图；

图5是热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法流量计算和自动校正程序框图。

图中各部件标号：1-壳体；2-起旋器；3-热式速度传感器；4-转换和显示单元；5-压力传感器；6-消旋器。

具体实施方式

本发明的一种热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，如图2所示，该热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法采用的流量计包括：壳体1，起旋器2，热式速度传感器3，转换和显示单元4，压力传感器5和消旋器6。流体经过起旋器2后，形成旋涡流，其中心为“涡核”，外围是环流。旋涡流经过一段收缩段进行加速，在喉部获得短暂的稳定，进入扩张段流速降低，压力上升，涡核偏离中心轴，在扩张段内围绕流量计的轴线作螺旋状的进动，这种旋涡进动流动使得扩张段附近流场速度和压力产生脉动，采用具有高频响的热式速度传感器3来检测动态速度信号，该信号中包含了直流量，也包含了脉动量，直流量与脉动频率都包含了流量信息。为了进行流量压力修正，安装了压力传感器5。热式速度传感器3和压力传感器5的信号送入转换和显示单元4进行处理分析，获得流量。流体在流出流量计之前经消旋器6整流，消旋器6同时有减小下游流动对流量计工作影响的作用。

热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法中信号处理过程如图3所示。热式速度传感器3上含有两个探头，一个是速度探头，一个是温度探头，温度探头用来感知流体温度T，速度测量采用等温型模式，即保持速度探头的温度T _u与T之差（

）恒定，检测电功率

数值，其中E为作用在速度探头的加热元件上的加热电压，R为加热元件的电阻。将

、热式流速传感器测量的流体温度信号和压力传感器测得的压力信号都转换为电压信号，经放大滤波、模数（A/D）转换后送入微处理器。其中速度信号同时送入热式流量计模块和旋进旋涡流量计模块，流体温度信号和压力信号送入旋进旋涡流量计模块用于温度、压力修正，热式流量计测量的是质量流量，因此不需要温度、压力修正。

热式流量计模块和旋进旋涡流量计模块处理，分别得到的速度信号平均值和旋涡进动频率信号，送入流量计算单元计算流量。设置两个流量分界线，Q₁和Q₂，根据这两个流量分界线将流量范围分为小流量、中等流量和大流量三段，如图4所示。在整个流量范围内，流量输出采用热式流量计数据；而在中等流量范围内，旋进旋涡流量计数据与热式流量计数据送入仪表系数校正单元进行比对，当二者数值相差超过规定时，以旋进旋涡流量计数据为基准对热式流量计仪表系数进行修正和重新设定。这种做法主要是利用旋进旋涡流量计稳定性好的特点，来随时修正热式传感器长期由于各种原因导致的零点漂移，保证在使用期间测量数据的准确性。流量计算和热式流量仪表系数自动校正流程框图如图5所示。热式流量数据Q_热和旋进旋涡流量数据Q_旋送入流量计算单元后，依据Q_热判断处于哪一个流量范围，如果处于中等流量范围，则需进行热式流量测量的校正工作，比较Q_热和Q_旋的差值与设定最大偏差

，如果偏差超过

，对热式流量计仪表系数进行修正和重新设定。最后将合格的流量计算值送入显示单元和数据存储单元进行显示和存储。同时，为了数据输出方便，仪表通信设计有通信接口、远传驱动器、V/I变换器等。

需说明的是关于热式流速传感器的频响特性。传统旋进旋涡流量计工作频率一般为10Hz-1000Hz。由于热惰性的问题，传感器必须非常细小才能获得高频响，而非常细小的传感器往往容易损坏，综合考虑，选择100Hz-300Hz为本旋进旋涡流量计的工作频率范围，300Hz的频响对于热式传感器不难做到，而且在这个频率范围内，旋进旋涡流量计工作可靠，测量准确度高。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，包括如下步骤：

采用压力传感器（5）测量得到压力信号；

2.如权利要求1的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中设置两个流量分界线为Q₁和Q₂，Q_热小于Q₁为小流线范围，Q_热大于Q₁且小于Q₂为中等流量范围，Q_热大于为Q₂为大流量范围。

3.如权利要求2的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中当Q_热处于中等流量范围内，比较Q_热和Q_旋的差值与设定最大偏差

，若差值大于

4.如权利要求1的自校正的热式-旋进旋涡组合式气体流量测量方法，其中采用100Hz-300Hz为所述旋进旋涡流量计模块的工作频率范围。