CN105181005B - 气体流量与组分浓度的一体化测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体流量与组分浓度的一体化测量方法及装置，IGCC系统中产生的气体或其他多组分气体通入管道，冲刷敏感元件热敏电阻，带走热敏电阻与电源相连产生的热量，根据热平衡原理，热敏电阻产生的热量与对流换热量相等，而对流换热量与流体的温度、流量、组分浓度有关，从而同时测量得到气体组分浓度和流量。本发明装置用至少两个热敏电阻作为敏感元件，无运动部件，机械损失小，能消除流体温度变化对流量测量的影响，测量精度高。

Description

气体流量与组分浓度的一体化测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于多组分气体流量及组分浓度的测量方法及装置。

背景技术

整体煤气化联合循环发电系统IGCC(Integrated Gasification CombinedCycle)，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它的生产流程如下：煤经气化以后成为中低热值的煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，然后经过除雾干燥，使之变为清洁的合成气，之后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，使热能被充分利用。产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。

IGCC技术不仅有高发电效率，而且其污染物的排放量远远低于常规燃煤电站，又比较容易实现CO₂分离回收，具有极好的环保性能，是一种很有发展前景的洁净煤发电技术，已受到越来越多关注。

IGCC中的气化炉产生的合成气送入燃机燃烧室时，其中的氢气由于其燃烧的特殊性，常会导致燃机的震动，对燃机造成一定程度上的损害，因此需要精确测量控制合成气流量及组分，以保证燃机的正常运行。以往一台仪器只能单一测量流量或组分，导致设备多、成本高，因此设计并实现一种能够同时测量合成气流量和组分浓度的仪器就成为IGCC合成气流量-组分控制技术发展的一项迫切需要。

在核电站安全壳内，氢气的燃烧也会造成安全壳失效，对氢气浓度的测量也是一种亟待解决的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种能消除流体温度变化对流量测量的影响、测量精度高、能够同时测量多组分复杂气体流量-组分浓度的方法及装置。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种气体流量与组分浓度的一体化测量方法，其特征是，包括下述步骤：

(1)将至少两个负温度系数热敏电阻加工成圆柱形探头状或球状，并与一热电偶内嵌入一个管道结构中，该管道结构接入气体输送管道中；所述热敏电阻通过并联方式与所述管道结构外的信号转换及数据处理模块中的恒压电源连接，构成闭合电路，各自产生不同的热功率，通过对流换热实现与被测气体间的热量交换；

(2)所述热敏电阻输出的电信号，在信号转换和数据处理模块中，经信号调节及放大电路，传递给AD信号转换电路，该电路将接收到的放大电信号转换成数字信号，之后传递给数据处理单元，该单元将其接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值(包含被测气体的流量、组分信号及变化趋势)；

(3)将步骤(2)得到的气体流量、组分的测量值通过人机交互模块中的数值显示单元读取；或者通过一个通信模块与外部控制设备进行连接，实现测量数据的传输；

其中，步骤(2)所述数据处理单元将其接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值的具体步骤如下：

1)负温度系数热敏电阻的阻值跟温度关系可以描述为：

R_Nti＝R_NT0iexp[B_Ni(1/T_Ni-1/T₀)]

式中，R_Nti是第i热敏电阻发热时的电阻值，R_NT0i是该热敏电阻基准温度T₀时的电阻值，B_Ni为该热敏电阻的材料常数，T_Ni为该热敏电阻发热时的温度；i＝1，2，3，…；

根据以上关系式可以分别得到两个以上热敏电阻发热时温度与阻值的关系式：

T_Ni＝B_Ni[ln(R_NTi/R_NT0i)+B_Ni/T₀]^-1

因此，可分别求解得到两个以上热敏电阻被气体冲刷前的温度T_Ni，i＝1，2，3，…；

2)根据能量守恒原理，即热敏电阻的热功率与气体对流换热带走的热量之间的关系可描述为：

I²R_T＝hA(T-T_f)

式中，I为恒压电源条件下的热敏电阻的电流值，R_T为热敏电阻温度为T时的阻值，h为热敏电阻与气体的对流换热系数，A为热敏电阻的换热面积，T_f为来流气体温度，可由热电偶测得；因此热敏电阻满足方程组：

I²R_NT1＝h_N1A_N1(T_N1-T_f)

I²R_NT2＝h_N2A_N2(T_N2-T_f)

…，

I²R_Ntk＝h_NkA_Nk(T_Nk-T_f)

因此，根据以上方程组，可分别求解得到k个热敏电阻与气体的对流换热系数h_N1、h_N2、…、h_Nk，k＞2；

3)当气体体流经管道结构时，通过对流换热的方式带走热敏电阻探头产生的热量，根据流体外掠横管的对流准则关系式：

Nu＝6.61Re^aPr^b

式中，普朗克数Pr＝v_m/a_m，雷诺数Re＝ud_H/v_m，努赛尔数Nu＝hd_H/λ_m，a、b为常数，d_H为热敏电阻圆柱探头的水力直径，u为流速；其中，λ_m为导热系数，v_m为运动粘度，a_m为扩散系数，均与气体中的各组分比例x有关；因此，Nu即是气体掠过热敏电阻的速度u和气体各组分所占比例x的函数，进一步可得关系式如下

Nu＝f(u,x)

4)根据步骤3)中的关系式，可分别推导出两个热敏探头与气体对流换热时，努赛尔数与流速u及组分x的关系式：

Nu₁＝f₁(u,x)

Nu₂＝f₂(u,x)

…，

Nu_k＝f_k(u,x)

5)采用最小二乘法回归计算步骤4)中的联立方程组，可以获得气体流速u和气体组分x的数值，从而实现流量和组分的一体化测量。

上述方法中，所述人机交互模块中设有连接标定装置的数值设定单元，在测量过程中，根据标定出的热敏电阻的动、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，从而确定各个关系式中f的具体表达形式。

一种气体流量与组分浓度的一体化测量装置，其特征在于，包括接入气体输送管道中的管道结构及敏感元件模块，外部的信号转换及数据处理模块、人机交互模块和通信模块；所述管道结构及敏感元件模块中内嵌有至少两个加工成圆柱形探针状或球状的热敏电阻和一个热电偶，热敏电阻与外部信号转换及数据处理模块中的恒压电源相连，并与恒压电源构成闭合电路；热敏电阻输出的电信号在信号转换和数据处理模块中进行传递和处理后作为测量结果输送至人机交互模块进行显示，或者通过一个通信模块与外部控制设备进行连接，实现测量数据的传输。

上述方案中，所述信号转换和数据处理模块中，设有信号调节及放大电路，该电路将热敏电阻产生电信号放大后，传递给AD信号转换电路，该电路将接收到的放大电压信号转换成数字信号，之后传递给数据处理单元，数据处理单元将接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值，最后输出至人机交互模块或通信模块。

所述数据处理单元包括电压-阻值-流量-组分信号转换电路，内嵌在单片机或处理器的智能芯片上。

所述管道结构外形加工成管道形状，两端口装配有法兰接口，接入气体输送管道中。

热敏电阻的个数不少于待测物理量的个数，待测物理量的个数等于气体的组成成分数目。

采用本发明方法和装置的优点是：

1、流量-组分一体化测量仪器可以同时实现气体的流量、组分两个信号的实时测量，相对于传统的流量计和气体成分分析仪分离式应用设计，该测量仪器有更高的集成度，体积和质量均大大减小。

2、本发明的流量-组分一体化测量仪器没有普通流量计的内置旋转部件，不会因为机械作用对气体产生阻力影响，可以减小流动阻力损失，从而降低气体输送泵的能耗。

3、敏感测量元件由NTC1和NTC2两个或更多个热敏电阻构成，多个热敏电阻联合使用，通过多个对流换热准则关系式的联立求解，最小二乘回归分析，不仅可以实现流量、组分两个测量信号的获取，而且能降低单个传感器测量的误差，进而达到更高的测量精度和可靠性。

4、采用的敏感元件热敏电阻不仅灵敏度高、体积小、稳定性好和使用寿命长，而且成本低廉、装配简单，易于推广应用。

本发明方法及装置也可用于含有氢气的其他混合气体的测量。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明装置的结构原理图。其中：9为管道结构及敏感元件模块；10为信号转换和数据处理模块；11为人机交互模块。

图2是图1中的管道结构及敏感元件模块的一个具体结构示意图。其中，14为气体输送管道；132A为热敏电阻NTC1；132B为热敏电阻NTC2；133为管道结构。

图3是本发明方法的数值计算流程图。

具体实施方式

参考图1，一种气体流量与组分浓度的一体化测量装置，包括管道结构及敏感元件模块9；信号转换及数据处理模块10、人机交互模块11和通信模块12。管道结构及敏感元件模块9用于方便地将装置接入气体输送管道14中，并对所接入位置开展流量、组分一体化测量工作；信号转换和数据处理模块10用于对管道结构及敏感元件模块采集的信号进行变换和处理，得到所需的流量、组分浓度值；人机交互模块11用于测量结果的输出和测量装置的标定；通信模块12用于将测量装置和外部控制器连接。

假设该气体由H₂和CO组成，待测参数为2个，因此需要至少2个热敏电阻。参考图2，将两个热敏电阻132A、132B(NTC-负温度系数热敏电阻)加工成圆柱形探针状，与热电偶131都完全内嵌入管道结构133中，热敏电阻引脚与外部信号转换及数据处理模块中的恒压电源101相连，并与恒压电源构成闭合电路，同时两热敏电阻通过并联方式，各自产生不同的热功率，当气体流经管道结构133并横掠热敏电阻时，通过对流换热实现热敏电阻与气体间的热量交换，根据热平衡原理和对流换热准则关系，可以推导出气体流量、组分与阻值变化之间的关系，从而实现流量、组分浓度的数值测量。热敏电阻的个数不少于待测物理量的个数，待测物理量的个数等于气体的组成成分数目。

管道结构133的制作材料选用有机玻璃，外形加工成管道形状，两端口装配有螺栓接口，以便将敏感元件接入气体输送管道14中从而开展测量工作。

再回到图1，传感器(热敏电阻)输出的电信号在信号转换和数据处理模块10中进行数据传递和处理，得到所测量的流量、组分信号及变化趋势，并作为测量的显示结果。信号转换和数据处理模块中，信号调节及放大电路102用于接收热敏电阻产生的电流变化信号，电流信号经放大器放大后，传递给AD信号转换电路103，其将接收到的放大电压信号转换成数字信号，之后传递给数据处理单元104，数据处理单元104将其接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值。数据处理单元104包括电压-阻值-流量-组分信号转换电路，可以内嵌在单片机或处理器等智能芯片上。

人机交互模块11包括流量、组分的数值显示单元111和数值设定单元112。其中，显示单元111采用数码管，可以将流量、组分浓度的数值分别用两个显示单元显示，也可以在同一显示单元中读数。数值设定单元112用于连接标定装置，在测量过程中，根据标定出的传感器的动、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，以提高测量精度。

通信模块12通过采用CAN总线接口或者RS232串行通讯接口与外部控制设备进行连接，实现该流量-组分浓度一体化测量装置的测量数据传输。

参考图3，数据处理单元104将接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值，其中，计算的具体过程为：

NTC-热敏电阻132A和132B的阻值跟温度关系可以描述为：

R_NT1＝R_NT01exp[B_N1(1/T_N1-1/T₀)] (1)

式中，R_NT1是热敏电阻132A发热时的电阻值，R_NT01是热敏电阻132A基准温度T₀时的电阻值，B_N1为热敏电阻132A的材料常数，T_N1为热敏电阻132A发热时的温度。

R_NT2＝R_NT02exp[B_N2(1/T_N2-1/T₀)] (2)

式中，R_NT2是热敏电阻132B发热时的电阻值，R_NT02是热敏电阻132B基准温度T₀时的电阻值，B_N2为热敏电阻132B的材料常数，T_N2为热敏电阻132B发热时的温度。

根据关系式(1)和(2),可以分别得到热敏电阻132A和132B发热时温度与阻值的关系式：

T_N1＝B_N1[ln(R_NT1/R_NT01)+B_N1/T₀]^-1 (3)

T_N2＝B_N2[ln(R_NT2/R_NT02)+B_N2/T₀]^-1 (4)

因此，根据关系式(3)和(4)可分别求解得到热敏电阻132A和132B被气体冲刷时的温度T_N1和T_N2。

根据能量守恒原理，即热敏电阻外界恒压源产生的热功率与气体对流换热带走的热量之间的关系可描述为：

I²R_T＝hA(T-T_f) (5)

式中，I为恒压电源条件下热敏电阻的电流值，R_T为热敏电阻温度为T时的阻值，h为热敏电阻与气体的对流换热系数，T_f为来流气体温度，可由热电偶131测得。

因此热敏电阻132A和热敏电阻132B分别满足方程：

I²R_NT1＝h_N1A_N1(T_N1-T_f) (6)

I²R_NT2＝h_N2A_N2(T_N2-T_f) (7)

因此，根据关系式(6)和(7)可分别求解得到热敏电阻132A和132B与气体的对流换热系数h_N1和h_N2。

当气体体流经管道结构及敏感元件模块13时，气体会冲刷132A和132B的热敏探头，并通过对流换热的方式带走探头外接恒压电源产生的热量。在本发明中，在数值计算时，将热敏探头看作是圆柱体形状，因此根据流体外掠横管的对流准则关系式：

Nu＝6.61Re^0.25456Pr^1.38 (8)

式中，普朗克数Pr＝v_m/a_m，雷诺数Re＝ud_H/v_m，努赛尔数Nu＝hd_H/λ_m，d_H为圆柱探头的水力直径，λ_m为导热系数，u_m为流速，v_m为运动粘度，a_m为扩散系数。其中，λ_m、v_m、a_m的值均与气体中的氢气组分比例x有关。

因此，根据关系式(8)可以分别推导出两个热敏探头与气体对流换热时，努赛尔数与流速及组分的关系式：

Nu₁＝f(u,x) (9)

Nu₂＝f(u,x) (10)

联立求解式(9)和(10)，就可以获得气体流速u和氢气组分份额x的数值，从而实现本发明仪器的流量-组分一体化测量。

热敏电阻的数量也可以比测量参数的数量多，例如在上例中采用3支热敏电阻而其余不变，与采用2支热敏电阻的区别是：3个热敏电阻就会得到3个Nu＝f(u,x)的方程式，而测量参数只有两个，此时方程组是超静定问题，可采用最小二乘法回归得到两个测量参数u和x，这样得到的结果更为可靠。从测量的原理上说，更多的热敏电阻是增加测量次数，结果更具有代表性和准确性。

Claims (3)

1.一种气体流量与组分浓度的一体化测量方法，其特征是，包括下述步骤：

(1)将至少两个负温度系数热敏电阻加工成圆柱形或球形探头状，并与一热电偶内嵌入一个管道结构中，该管道结构串联接入气体输送管道中；所述热敏电阻通过并联方式与所述管道结构外的信号转换及数据处理模块中的恒压电源连接，构成闭合电路，各自产生不同的热功率，通过对流换热实现与被测气流间的热量交换而维持一定的温度；

(2)所述热敏电阻输出的电信号，在信号转换和数据处理模块中，经信号调节及放大电路，传递给AD信号转换电路，该电路将接收到的放大电信号转换成数字信号，之后传递给数据处理单元，该单元将其接收到的数字信号通过计算得到所需的流量与组分浓度的测量值；

(3)将步骤(2)得到的气体流量、组分浓度的测量值通过人机交互模块中的数值显示单元读取，所述人机交互模块中设有连接标定装置的数值设定单元，在测量过程中，根据标定出的热敏电阻的动、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，从而确定各个关系式中f的具体表达形式；或者通过一个通信模块与外部控制设备进行连接，实现测量数据的传输；

其中，步骤(2)所述数据处理单元将其接收到的数字信号通过计算得到所需的测量值的具体步骤如下：

1)负温度系数热敏电阻的阻值跟温度关系为：

R_NTi＝R_NT0iexp[B_Ni(1/T_Ni-1/T₀)]

式中，R_NTi是第i个热敏电阻发热时的电阻值，采用欧姆定律由测量值计算得到，R_NT0i是该热敏电阻在基准温度T₀时的电阻值，B_Ni为该热敏电阻的材料常数，T_Ni为该热敏电阻发热时的温度，i＝1，2，3，…；

根据以上关系式可以分别得到两个以上热敏电阻发热时温度与阻值的关系式：

T_Ni＝B_Ni[ln(R_NTi/R_NT0i)+B_Ni/T₀]^-1

因此，可分别求解得到两个以上热敏电阻被气体冲刷时的温度T_Ni，i＝1，2，3，…；

2)根据能量守恒原理，即热敏电阻的热功率与气体对流换热带走的热量之间的关系可描述为：

I²R_T＝hA(T-T_f)

式中，I为恒压电源提供的稳定电压下的热敏电阻中的电流值，R_T为热敏电阻温度为T时的阻值，h为热敏电阻与气体的对流换热系数，A为热敏电阻的换热面积，T_f为来流气体温度，可由步骤(1)中所述的热电偶测得；因此热敏电阻满足方程组：

I²R_NT1＝h_N1A_N1(T_N1-T_f)

I²R_NT2＝h_N2A_N2(T_N2-T_f)

…，

I²R_NTk＝h_NkA_Nk(T_Nk-T_f)

因此，根据以上方程组，可分别求解得到k个热敏电阻与气体的对流换热系数h_N1、h_N2、…、h_Nk，k＞2；

3)当气体流经管道结构时，通过对流换热的方式带走热敏电阻探头产生的热量，根据流体外掠横管的对流准则关系式：

Nu＝6.61Re^aPr^b

式中，普朗特数Pr＝v_m/a_m，雷诺数Re＝ud_H/v_m，努赛尔数Nu＝hd_H/λ_m，a、b为常数，d_H为热敏电阻圆柱探头的水力直径，u为流速；其中，λ_m为导热系数，v_m为运动粘度，a_m为扩散系数，这三个物性参数均与气体中的各组分份额x有关；因此，Nu即是气体掠过热敏电阻的速度u和气体各组分份额x的函数，进一步可得关系式如下

Nu＝f(u,x)；

4)根据步骤3)中的关系式，可推导出至少两个热敏探头与气体对流换热时，努赛尔数与流速u及组分x的关系式：

Nu₁＝f₁(u,x)

Nu₂＝f₂(u,x)

…，

Nu_k＝f_k(u,x)；

5)采用最小二乘法回归计算步骤4)中的联立方程组，获得气体流速u和气体组分份额x的数值，从而实现流量和组分的一体化测量。

2.一种实现权利要求1所述方法的气体流量与组分浓度的一体化测量装置，其特征在于，包括接入气体输送管道中的管道结构及敏感元件模块，外部的信号转换及数据处理模块、人机交互模块和通信模块；所述管道结构及敏感元件模块中内嵌有至少两个加工成圆柱形探针状或者球状的热敏电阻和一个热电偶，热敏电阻与外部信号转换及数据处理模块中的恒压电源相连，并与恒压电源构成闭合电路；热敏电阻输出的电信号在信号转换和数据处理模块中进行传递和处理后作为测量结果输送至人机交互模块进行显示，或者通过一个通信模块与外部控制设备进行连接，实现测量数据的传输；

所述信号转换和数据处理模块中，设有信号调节及放大电路，该电路将热敏电阻产生的电信号放大后，传递给AD信号转换电路，该电路将接收到的放大电压信号转换成数字信号，之后传递给数据处理单元，数据处理单元将接收到的数字信号通过计算得到所需的流量与组分浓度的测量值，最后输出至人机交互模块或通信模块；

所述数据处理单元包括电压-阻值-流量-组分信号转换电路，内嵌在单片机或处理器的智能芯片上。

3.如权利要求2所述的气体流量与组分浓度的一体化测量装置，其特征是，所述管道结构两端口装配有法兰接口，接入气体输送或测量管路中。