CN103308106B - 高压惰性气体灭火剂质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压惰性气体灭火剂质量流量计，包括主测量管路系统和测量控制系统，其特征在于，所述主测量管路系统包括安装在灭火剂流通管道上的主测量管路，主测量管路上分别连接静压取压管、全压取压管和温度传感器接头；通过两个压力传感器和一个温度传感器分别采集主测量管路测量截面处的压力、温度信号数据，由可编程控制器的预制程序对数据进行处理，计算获得管道测量截面处流动介质的质量，静压取压管、全压取压管的管路长度相同，测量输出的压力实时对应，消除了由于灭火剂流动产生的测量误差，能够实时准确的测量管道中的高压惰性气体灭火剂质量流量，不受温度、流速和高压介质的影响。

Description

高压惰性气体灭火剂质量流量计

技术领域

本发明涉及流量测量仪器，特别涉及一种高压惰性气体灭火剂质量流量计。

背景技术

惰性气体灭火系统是现有哈龙灭火系统的替代产品中最环保的灭火系统(哈龙是Halon的音译，就是我们平常说的1211与1301的商品名称)，主要包括IG-01、IG-55、IG-100、IG-541等产品，惰性气体灭火系统主要依靠灭火剂的窒息作用灭火，灭火剂来源于大气，不对臭氧层造成破坏，温室效应值很低。目前在国际上气体灭火系统的使用在逐年增加。对于惰性气体灭火系统属于高压系统，在喷放过程中产生的高压，高速，低温的灭火剂的质量流量的测量是一个难点。目前市场上还没有针对惰性气体灭火系统管道中灭火剂实时质量流量的专用流量计的产品。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对高速，低温的灭火剂的质量流量的测量难题，为了提高惰性气体灭火系统的测量手段，提供一种高压惰性气体质量流量计。该流量计能够实时准确的测量管道中的高压惰性气体灭火剂质量流量，不受温度、流速和高压介质的影响。

本发明是通过这样的技术方案实现的：高压惰性气体灭火剂质量流量计，包括主测量管路系统和测量控制系统，其特征在于，所述主测量管路系统包括安装在灭火剂流通管道上的主测量管路，主测量管路上分别连接静压取压管、全压取压管和温度传感器接头；

所述静压取压管和全压取压管的端头分别焊接一个压力传感器接头，通过压力传感器接头，静压取压管和全压取压管分别连接第一压力传感器和第二压力传感器；

所述温度传感器接头上安装一个温度传感器；

所述静压取压管和全压取压管的管路形状均为L形，两个管路总长度相同，置放的位置不同；

静压取压管的竖直管A的长度和全压取压管的水平管B长度相同，静压取压管的水平管A的长度和全压取压管的竖直管B长度相同；

竖直管A的管口、水平管B的管口分别为进入静压取压管和全压取压管的气流进口；

竖直管A的中心线与温度传感器的探管)中心线在主测量管路的同一截面上径向重合；

水平管B的中心线与主测量管路的中心线重合，水平管B的进口端的径线与竖直管A的中心线重合；

竖直管A的中心线、探管中心线和水平管B的进口端的径线交汇于主测量管路内同一截面上，此截面为测量截面；

全压取压管的水平管B管路进口位置位于主测量管路的中心线，正对着气流流动的方向Q；

由第一压力传感器通过静压取压管采集主测量管路内测量截面处的静压压力p；

由第二压力传感器通过全压取压管采集主测量管路内测量截面处的全压压力p₀；

由温度传感器采集主测量管路内测量截面处的灭火剂的温度t；

所述测量截面的前端管路和后端管路的通径与这个截面的通径相同，测量截面前端管路长度不小于20倍的主测量管路的实际内径，测量截面后端管路长度不小于5倍的主测量管路的实际内径；

所述测量控制系统，包括PLC控制柜、上位计算机和打印机；PLC控制柜主要由可编程控制器S7-200和电气元件构成，可编程控制器S7-200包括CPU模块CPU221、模拟量扩展模块EM231；

第一压力传感器、第二压力传感器和温度传感器采集到4-20mA模拟信号数据传送到可编程控制器S7-200的模拟量扩展模块EM231，由CPU模块CPU221内的预制程序对数据进行处理；

通过CPU模块CPU221上的通讯接口，用通讯电缆连接上位计算机，并与上位计算机通信；

上位计算机硬银盘中安装MCGS组态软件，编辑和运行MCGS组态软件，由MCGS组态软件实现屏幕窗口监测、控制，由MCGS组态软件对采集数据进行处理，按照计算公式得到计算结果，绘制灭火剂质量流量曲线，输出显示和存储。

所述高压惰性气体灭火剂质量流量计测量灭火剂质量流量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)通过第一压力传感器、第二压力传感器和温度传感器分别采集主测量管路内测量截面处的压力、温度信号数据；

(b)经由S7-200CPU模块内的预制程序对数据进行处理，获得主测量管路内测量截面处的静压压力p、介质全压压力p₀和灭火剂的温度t；

(c)根据气体一维定常流体的理论，将静压压力p、介质全压压力p₀带入公式

得到马赫数M；再将M带入公式

$q\left(M\right)=M{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}^2\left)\right)}^{-\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}},$ 得到无量纲比流量q(M)

(d)将灭火剂的温度t代入公式T＝t+273和获得驻点温度T₀；

(e)将介质全压压力p₀、无量纲比流量q(M)和驻点温度T₀，带入公式 $m=K\left(\frac{p_0}{\sqrt{T_0}}\right)q\left(M\right)\mathrm{\σ}$

式中： $K={\left(\frac{\mathrm{\γ}}{R}\right)}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}$

p:为气体静压力；单位:pa；

γ:为比热比，IG-01取1.33，IG-55取1.535，IG-100取1.40，IG-541取1.5024；

p₀：介质全压压力，单位:pa；

q(M)：无量纲比流量；

m：单位时间内流过的气体质量,单位：kg/s；

通过测量出的管道同一测量截面上的气体的全压压力p₀和管路静压压力p,以及测量截面上介质温度t，即可求得此时管道测量截面处流动气体灭火剂的质量m，通过计算，测量结果即时准确，延时误差小。

本发明的有益效果是：高压惰性气体质量流量计采用静压取压管、全压取压管的结构，通过静压取压管取得测量截面上灭火剂的静压压力，通过两个压力传感器和温度传感器分别采集主测量管路测量截面处的压力、温度信号数据，由可编程控制器的预制程序对数据进行处理，计算获得管道测量截面处流动介质的质量，静压取压管、全压取压管的管路长度相同，测量输出的压力实时对应，消除了由于灭火剂流动产生的测量误差，能够实时准确的测量管道中的高压惰性气体灭火剂质量流量，不受温度、流速和高压介质的影响。

附图说明

图1、高压惰性气体灭火剂质量流量计结构示意图。

图中：1.主测量管路，2.静压取压管，3.全压取压管，4.温度传感器接头，5.压力传感器接头,6.第一压力传感器，7.第二压力传感器，8.温度传感器；21.竖直管A，22.水平管A，31.竖直管B，32.水平管B，81.探管81。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

高压惰性气体灭火剂质量流量计，包括主测量管路系统和测量控制系统，主测量管路系统包括安装在灭火剂流通管道上的主测量管路1，主测量管路1上分别连接静压取压管2、全压取压管3和温度传感器接头4；

静压取压管2和全压取压管3的端头分别焊接一个压力传感器接头5，通过压力传感器接头5，静压取压管2和全压取压管3分别连接第一压力传感器6和第二压力传感器7；

温度传感器接头4上安装一个温度传感器8；

静压取压管2和全压取压管3的管路形状均为L形，两个管路总长度相同，置放的位置不同；

静压取压管2的竖直管A21的长度和全压取压管3的水平管B32长度相同，静压取压管2的水平管A22的长度和全压取压管3的竖直管B31长度相同；

竖直管A21的管口、水平管B32的管口分别为进入静压取压管2和全压取压管3的气流进口；

竖直管A21的中心线与温度传感器8探管81中心线在主测量管路1的同一截面上径向重合；

水平管B32的中心线与主测量管路1的中心线重合，水平管B32的管路进口端的径线与竖直管A21的中心线重合；

竖直管A21的中心线、探管81中心线和水平管B32的管路进口端的径线交汇于主测量管路1内同一截面上，此截面为测量截面；

全压取压管3的水平管B32管路进口位置位于主测量管路1的中心线，正对着气流流动的方向Q；

由第一压力传感器6通过静压取压管2采集主测量管路1内测量截面处的静压压力p；

由第二压力传感器7通过全压取压管3采集主测量管路1内测量截面处的全压压力p₀；

由温度传感器8采集主测量管路1内测量截面处的灭火剂的温度t；

测量截面的前端管路和后端管路的通径与这个截面的通径相同，测量截面前端管路长度不小于20倍的管道实际内径，测量截面后端管路长度不小于5倍的管道实际内径。

所述测量控制系统，包括PLC控制柜、计算机和打印机；PLC控制柜主要由可编程控制器S7-200和电气元件构成，可编程控制器S7-200包括CPU模块CPU221、模拟量扩展模块EM231；

第一压力传感器6、第二压力传感器7和温度传感器8采集到4-20mA模拟信号数据传送到可编程控制器S7-200的模拟量扩展模块EM231，由CPU模块CPU221内的预制程序对数据进行处理；

通过CPU模块CPU221上的通讯接口，用通讯电缆连接上位计算机，并与上位计算机通信；

上位计算机硬银盘中安装MCGS组态软件，编辑和运行MCGS组态软件，由MCGS组态软件实现屏幕窗口监测、控制，由MCGS组态软件对采集数据进行处理，按照计算公式得到计算结果，绘制灭火剂质量流量曲线，输出显示和存储。

本实施例中：

主测量管路1内测量截面的通径为：25mm；

主测量管路1实际内径为：19mm；

测量截面前端管路长度为：1.2m；

测量截面后端管路长度为：0.3m；

本实施例中：

高压惰性气体灭火剂质量流量计测量灭火剂质量流量的方法，包括如下步骤：

(a)通过第一压力传感器6、第二压力传感器7和温度传感器8分别采集主测量管路1内测量截面处的压力、温度信号数据；

(b)经由S7-200CPU模块内的预制程序对数据进行处理，获得主测量管路1内测量截面处的静压压力p、介质全压压力p₀和灭火剂的温度t；

(c)根据气体一维定常流体的理论，气体在流动过程中的能量是守恒的，气体的能量方程为：

$c_{p}T+\frac{V^2}{2}=const$ ——————(式1)

$\frac{a^2}{\mathrm{\γ}-1}+\frac{V^2}{2}=const$ ——————(式2)

$\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{p}{\mathrm{\ρ}}+\frac{V^2}{2}=const$ ——————(式3)

$\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}RT+\frac{V^2}{2}=const$ ——————(式4)

式1至式4中：

R——气体常数，单位为焦耳/千克*开(J/kg*K)，IG-01取208.16、IG-55取244.75、IG-100取296.93、IG-541取244.13

c_p——为定压比热，单位为焦耳/千克*开(J/kg*K)；

p——气体静压压力,单位：帕(pa)；

γ——比热比，无量纲；IG-01取1.33、IG-55取1.535、IG-100取1.40、IG-541取1.5024

V——介质流速，单位：米/秒(m/s)；

ρ——介质密度，单位：千克/立方米(kg/m³)。

a——介质声速，单位：米/秒(m/s)。

由于计算过程中一般都是代入绝对温度，因此，我们将温度传感器8测量的气体灭火剂温度t转换成绝对温度T。

T＝t+273---------(式5)

t——测量温度，单位：度(℃)；

T——绝对温度，单位：开(K)。

气流从流动到速度为0时，气流在此截面上的参数，称为驻点参数，用下标“0”表示。如此截面上的密度称为驻点密度，介质的声速称为驻点声速。该截面上测得的压力为驻点压力p₀，此压力即为气流的全压压力p₀，气流的全压就是气流静压与动压之和。

由上述公式可得到

$\frac{V^2}{2}+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}RT=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{RT}}_0$ ——————(式6)

式6中：

T₀——为驻点温度，单位：开(K)，

通过式6转化得到： $\frac{T_0}{T}=1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}\frac{V^2}{\mathrm{\γ}RT}=1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}^2$ ———(式7)

式7中：

M为马赫数，无量纲，

由于公式 $\frac{a^2}{a_0^2}=\frac{\mathrm{\γ}RT}{{\mathrm{\γRT}}_0}=\frac{T}{T_0}$ ————(式8)

a₀——介质驻点声速，单位:米/秒(m/s)，

将式7代入上式8可得：——————(式9)

由于存在关系式 $\frac{p_0}{p}={\left(\frac{T_0}{T}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}$ 和 $\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\ρ}}={\left(\frac{T_0}{T}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}},$

p——介质静压压力；单位:帕(pa)，

p₀——介质全压压力，单位:帕(pa)，

所以得到通过全压取压管取得测量截面上灭火剂的全压压力，两条管路长度相同。测量输出的压力实时对应，消除了由于灭火剂流动产生的测量误差，

$\frac{p_0}{p}={(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}^2)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}$ --------(式10)和 $\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\ρ}}={(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}^2)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}$ --------(式11)

ρ₀——介质驻点密度，单位:千克/立方米(kg/m³)

在某一截面气流的速度正好等于其当地声速，即V＝a＝a^*，a^*称为临界速度，此时，这个截面上所有的参数称为临界参数，用上标“*”表示。如此截面上的压力p用p^*表示，此截面上的介质温度T用T^*表示。

当M＝1时，此时V＝a＝a^*，由上面几个关系式即可得到临界参数与驻点参数的比值，即

$\frac{T^{*}}{T_0}=\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}$ --------(式12)

$\frac{a^{*}}{a_0}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{1}{2}}$ --------(式13)

$\frac{P^{*}}{P_0}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}$ --------(式14)

$\frac{{\mathrm{\ρ}}^{*}}{{\mathrm{\ρ}}_0}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}$ --------(式15)

根据上述公式推导得出结论，式12至式15中，临界参数和滞止参数对同一气体介质来说是一个常数的比例关系；

(d)利用流量与M数的关系式，在已知p₀、T₀的条件下计算气体介质的质量流量m；

因为m＝ρVσ，σ为管道面积，ρV为比质量或是密流，表示单位时间上通过单位面积的质量流量；考虑ρV随M的变化规律，为此需要定义为无量纲比流量，用符号q表示，q是M数的函数，即

$q\left(M\right)=\frac{\mathrm{\ρ}V}{{\mathrm{\ρ}}^{*}{V}^{*}}=M{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}^2\left)\right)}^{-\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}$ --------(式16)

因此，利用q(M)，根据驻点参数p₀、T₀及M数(或λ数)，可以计算出质量流量。因为：

$m=\mathrm{\ρ}V\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\ρ}V}{{\mathrm{\ρ}}^{*}{V}^{*}}\left({\mathrm{\ρ}}^{*}{V}^{*}\right)\mathrm{\σ}=q\left(M\right)(\mathrm{\ρ}*a*)\mathrm{\σ}$ -----(式17)

σ:测量管道截面的面积，单位：平方米(m²)；

将(式12)至(式15)变换，可求得

${\mathrm{\ρ}}^{*}{a}^{*}={\left(\frac{\mathrm{\γ}}{R}\right)}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}\left(\frac{p_0}{\sqrt{T_0}}\right)$ --------(式18)

所以 $m={\left(\frac{\mathrm{\γ}}{R}\right)}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}\left(\frac{p_0}{\sqrt{T_0}}\right)q\left(M\right)\mathrm{\σ}$ --------(式19)

化简后可得

$m=K\left(\frac{p_0}{\sqrt{T_0}}\right)q\left(M\right)\mathrm{\σ}$ --------(式20)

其中 $K={\left(\frac{\mathrm{\γ}}{R}\right)}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}$ --------(式21)

m——单位时间内流过的气体质量,单位：kg/s。

通过上面的推到结果我们可以得知，通过测量出的管道同一测量截面上的气体的全压压力p₀和管路静压压力p,以及测量截面上介质温度t，即可求得此时管道测量截面处流动气体灭火剂的质量m(同种灭火药剂的R和γ值是常数)。

本惰性气体灭火剂流量计通过测量灭火剂流通管路上同一截面的静压压力p、全压压力p₀和灭火剂的温度t，通过计算公式推导出灭火剂的实时质量流量m，测量结果即时准确，延时误差小。

本惰性气体灭火剂流量计的管路设计是通过静压取压管取得测量截面上灭火剂的静压压力，通过全压取压管取得测量截面上灭火剂的全压压力，两条管路长度相同。测量输出的压力实时对应，消除了由于灭火剂流动产生的测量误差。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (3)

1.高压惰性气体灭火剂质量流量计，包括主测量管路系统和测量控制系统，其特征在于，所述主测量管路系统包括安装在灭火剂流通管道上的主测量管路(1)，主测量管路(1)上分别连接静压取压管(2)、全压取压管(3)和温度传感器接头(4)；

所述静压取压管(2)和全压取压管(3)的端头分别焊接一个压力传感器接头(5)，通过压力传感器接头(5)，静压取压管(2)和全压取压管(3)分别连接第一压力传感器(6)和第二压力传感器(7)；

所述温度传感器接头(4)上安装一个温度传感器(8)；

所述静压取压管(2)和全压取压管(3)的管路形状均为L形，两个管路总长度相同，置放的位置不同；

静压取压管(2)的竖直管A(21)的长度和全压取压管(3)的水平管B(32)长度相同，静压取压管(2)的水平管A(22)的长度和全压取压管(3)的竖直管B(31)长度相同；

与主测量管路(1)相通的竖直管A(21)的管口、水平管B(32)的管口分别为进入静压取压管(2)和全压取压管(3)的气流进口；

竖直管A(21)的中心线与温度传感器(8)的探管(81)中心线在主测量管路(1)的同一截面上径向重合；

水平管B(32)的中心线与主测量管路(1)的中心线重合，水平管B(32)的进口端的径线与竖直管A(21)的中心线重合；

竖直管A(21)的中心线、探管(81)中心线和水平管B(32)的进口端的径线交汇于主测量管路(1)内同一截面上，此截面为测量截面；

全压取压管(3)的水平管B(32)管路进口位置位于主测量管路(1)的中心线，正对着气流流动的方向Q；

由第一压力传感器(6)通过静压取压管(2)采集主测量管路(1)内测量截面处的静压压力P；

由第二压力传感器(7)通过全压取压管(3)采集主测量管路(1)内测量截面处的全压压力P₀；

由温度传感器(8)采集主测量管路(1)内测量截面处的灭火剂的温度t；

所述测量截面的前端管路和后端管路的通径与这个截面的通径相同，测量截面前端管路长度不小于20倍的主测量管路的实际内径，测量截面后端管路长度不小于5倍的主测量管路的实际内径；

所述测量控制系统包括PLC控制柜、上位计算机和打印机；PLC控制柜主要由可编程控制器S7-200和电气元件构成，可编程控制器S7-200包括CPU模块CPU221、模拟量扩展模块EM231；

第一压力传感器(6)、第二压力传感器(7)和温度传感器(8)采集到4-20mA模拟信号数据传送到可编程控制器S7-200的模拟量扩展模块EM231，由CPU模块CPU221内的预制程序对数据进行处理；

通过CPU模块CPU221上的通讯接口，用通讯电缆连接上位计算机，并与上位计算机通信；

上位计算机硬盘中安装MCGS组态软件，编辑和运行MCGS组态软件，由MCGS组态软件实现屏幕窗口监测、控制，由MCGS组态软件对采集数据进行处理，按照计算公式得到计算结果，绘制灭火剂质量流量曲线，输出显示和存储。

2.如权利要求1所述高压惰性气体灭火剂质量流量计，其特征在于，主测量管路(1)内测量截面的通径为：25mm；

主测量管路(1)实际内径为：19mm；

测量截面前端管路长度为：1.2m；

测量截面后端管路长度为：0.3m。

3.如权利要求1所述高压惰性气体灭火剂质量流量计测量灭火剂质量流量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)通过第一压力传感器(6)、第二压力传感器(7)和温度传感器(8)分别采集主测量管路(1)内测量截面处的压力、温度信号数据；

(b)经由S7-200CPU模块内的预制程序对数据进行处理，获得主测量管路(1)内测量截面处的静压压力P、介质全压压力P₀和灭火剂的温度t；

(c)根据气体一维定常流体的理论，将静压压力P、介质全压压力P₀带入公式得到马赫数M；再将M带入公式得到无量纲比流量q(M)；

(d)将灭火剂的温度t代入公式T＝t+273和获得驻点温度T_O；

(e)将介质全压压力P₀、无量纲比流量q(M)和驻点温度T_O，带入公式

式中：

P:为气体静压力；单位:pa；

r:为比热比，IG-01取1.33，IG-55取1.535，IG-100取1.40，IG-541取1.5024；

P₀：介质全压压力，单位:pa；

q(M)：无量纲比流量；

m：单位时间内流过的气体质量,单位：kg/s；

σ:测量管道截面的面积，单位：平方米(m²)；

通过测量出的管道同一测量截面上的气体的全压压力P₀和管路静压压力P,以及测量截面上介质温度t，即可求得此时管道测量截面处流动气体灭火剂的质量m，通过计算，测量结果即时准确，延时误差小。