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熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)精度的進(jìn)步 流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-30    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
熱式傳感技術(shù)的進(jìn)步

自從熱電偶技術(shù)和早期的熱線(xiàn)式風(fēng)速計(jì)產(chǎn)生之后,熱式流量測(cè)量技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。熱式技術(shù)以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ),一般是根據(jù)兩個(gè)溫度傳感器間的溫差產(chǎn)生一個(gè)直接與溫差和質(zhì)量流量成比例的信號(hào)。很久以來(lái),熱式流量傳感器在很多行業(yè)中得以應(yīng)用,并滿(mǎn)足了一些特殊的要求?,F(xiàn)代化的熱式流量傳感器在設(shè)計(jì)上已由實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)化為了牢固的過(guò)程設(shè)備,每一代新產(chǎn)品都在傳感器性能方面有突破性的進(jìn)步。

早期的熱式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者們?cè)诰S持生產(chǎn)公差、溫度跟蹤及符合工業(yè)封裝標(biāo)準(zhǔn)方面經(jīng)歷了很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使得設(shè)計(jì)者們采用更牢固、生產(chǎn)上更具備一致性的熱電阻(RTD)?;跓犭娮璧牧髁總鞲衅骱芸毂环诸?lèi),并與早期的溫差設(shè)備相關(guān)聯(lián),并且成為了熱式流量傳感器家族的一部分。隨著RTD的改進(jìn),生產(chǎn)商們更向傾于采用鉑纏繞低質(zhì)量型設(shè)計(jì)。隨著時(shí)間的推移,生產(chǎn)技術(shù)向更小公差的方向演變,從而使得兩個(gè)RTD的配對(duì)成為了控制上越來(lái)越嚴(yán)格的過(guò)程。

由于大部分現(xiàn)代化的熱式設(shè)計(jì)是基于兩個(gè)RTD之間的差值,因此RTD在構(gòu)造上一定要一致。早期,F(xiàn)CI和其他一些廠(chǎng)家意識(shí)到了這一點(diǎn),并且FCI設(shè)計(jì)出了第一個(gè)等質(zhì)量傳感器構(gòu)造。這種傳感器設(shè)計(jì)確保了傳感元件在追蹤過(guò)程變化的時(shí)候可以保持一貫性。等質(zhì)量設(shè)計(jì)是一種突破性的進(jìn)展,大大拓寬了熱式傳感原理的使用范圍,使之在多種過(guò)程應(yīng)用中有了用武之地。

隨著制造技術(shù)、填充方法、熱道時(shí)效及材料優(yōu)化等方面的進(jìn)步,產(chǎn)品的性能也有了逐步的提高。如今,F(xiàn)CI及其他采用較新RTD生產(chǎn)技術(shù)的公司,通過(guò)使用平版印刷蝕刻芯片RTD,真正避免了RTD間的生產(chǎn)公差,使得RTD的調(diào)整成為簡(jiǎn)單、可復(fù)制的步驟。因此,可以用極低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量、易配對(duì)的RTD。這一進(jìn)步直接推動(dòng)了熱式技術(shù)向更高性能更低成本的方向發(fā)展。

微處理器推動(dòng)性能的提高

當(dāng)熱式傳感技術(shù)在一致性和穩(wěn)定性方面不斷發(fā)展時(shí),信號(hào)處理及硬件方面也有了突破性進(jìn)展。FCI在標(biāo)定數(shù)據(jù)收集和信號(hào)處理方面取得了進(jìn)展,并且通過(guò)先進(jìn)的曲線(xiàn)擬合演算法逐步提高了產(chǎn)品性能。下圖展示了FCI突破性的曲線(xiàn)擬合方法,這種方法提高了產(chǎn)品性能和精度。從圖1的常見(jiàn)誤差差頻寬可以看出傳統(tǒng)型產(chǎn)品的局限性。而采用D2P曲線(xiàn)擬合方法的FCI的熱式質(zhì)量流量計(jì),與傳統(tǒng)型產(chǎn)品形成了鮮明對(duì)比。近年來(lái),誤差和不確定性縮減有了重大進(jìn)展,使FCI產(chǎn)品在保持1001量程比的前提下,達(dá)到了0.5%的標(biāo)定精度。


圖1 FCI的D2P曲線(xiàn)擬合方法帶來(lái)的性能提高

標(biāo)定方法及NIST可溯源設(shè)備填補(bǔ)了空白

傳感及信號(hào)處理上的發(fā)展對(duì)標(biāo)定程序和方法提出了更高要求。為了使熱式流量儀表真正成為高端產(chǎn)品并滿(mǎn)足用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工況,制造商必須將產(chǎn)品的改進(jìn)與合格、高精度的標(biāo)定相結(jié)合。這意味著,要么必須將產(chǎn)品送去專(zhuān)業(yè)的流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定,或者斥巨資自行搭建標(biāo)定設(shè)備。FCI公司擁有自行投資興建的,具備研發(fā)和產(chǎn)品標(biāo)定雙重功能的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室,可以對(duì)包括惰性氣體和危險(xiǎn)氣體以及液體在內(nèi)的多種介質(zhì)在很寬的量程范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。

由于冷卻率與介質(zhì)熱物理特性(如粘度、密度、比熱、熱導(dǎo)性及熱膨脹系數(shù)等)呈函數(shù)關(guān)系,對(duì)熱式傳感技術(shù)的優(yōu)化需要擁有流體方面豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著新的模型和等式推導(dǎo)方法的出現(xiàn),使用參照氣體進(jìn)行標(biāo)定已經(jīng)可以達(dá)到2~3%的讀數(shù)精度,然而有一點(diǎn)相當(dāng)明確,要實(shí)現(xiàn)較佳性能必須使用實(shí)際氣體或?qū)嶋H液體進(jìn)行標(biāo)定。象FCI這樣擁有完善的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的公司,可以在實(shí)際液體介質(zhì)(如水或果汁、碳?xì)浠衔锛袄鋮s劑)中進(jìn)行標(biāo)定;同時(shí),也可以在各種氣體介質(zhì)(從惰性氣體到危險(xiǎn)混合氣、低密度氣體如氫氣和氦氣等)中進(jìn)行標(biāo)定。符合實(shí)際介質(zhì)的標(biāo)定、自動(dòng)數(shù)收集及高精度的流量參照標(biāo)準(zhǔn)(如音速?lài)娮?、超聲波多普勒和科里奧力流量計(jì)等)造就了好于0.5%讀數(shù)的精度。

圖2所示為FCI的氣體音速?lài)娮旌突旌蠚鈽?biāo)定臺(tái)。


圖2 FCI標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的混合氣和音速?lài)娮鞓?biāo)定臺(tái)

將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)

將實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置對(duì)所有的流量測(cè)量原理來(lái)說(shuō)都是個(gè)挑戰(zhàn)。直管段、實(shí)際安裝、流層、過(guò)渡流形、紊流強(qiáng)度、漩渦、脈動(dòng)及寬量程范圍等過(guò)程條件是所有流量測(cè)量原理共同的難題。熱式原理是18”管線(xiàn)到30英尺管道上經(jīng)濟(jì)、精確的流量測(cè)量選擇。使用熱式原理并且選擇正確的型號(hào)對(duì)于達(dá)到最高的現(xiàn)場(chǎng)安裝精度很關(guān)鍵。對(duì)于2”及2”以下管徑的應(yīng)用,大部分熱式產(chǎn)品制造商提供“在線(xiàn)式”構(gòu)造,提供一截固定著傳感頭的管段,這樣的構(gòu)造避免了固定、偏移、施轉(zhuǎn)或插件入長(zhǎng)度導(dǎo)致的誤差。同時(shí),很多“插入式”產(chǎn)品也通過(guò)改進(jìn)安裝方式避免或大幅降低了安裝變量的影響。位置鎖定或鍵盤(pán)編碼式插入、多傳感裝置、深度標(biāo)尺、方位標(biāo)記等方法確保了插入式流量元件的安裝,適用于4”到幾米管徑。

流體調(diào)整拓寬了安裝位置的選擇范圍

流體調(diào)整被很多流量測(cè)量原理所采用以進(jìn)一步完善測(cè)量。調(diào)整器提供出色的隔離、漩渦消減,并且真正做到了無(wú)壓損。這種流體調(diào)整方法神奇地拓寬點(diǎn)式流量測(cè)量原理的應(yīng)用范圍。例如熱式測(cè)量原理,推薦安裝條件為上游20倍管徑下游10倍管徑的直管段。而采用了嵌入式的流體調(diào)整器后,熱式質(zhì)量流量計(jì)只需要上下游一共7倍管徑的直管段即可達(dá)到標(biāo)稱(chēng)精度。

過(guò)程條件的影響及多點(diǎn)式測(cè)量

熱式流量測(cè)量原理實(shí)際上利用了溫度傳感。大部分的熱式流量設(shè)備制造商生產(chǎn)的流量元件中包含一個(gè)參照傳感器,與溫差測(cè)量相結(jié)合,或獨(dú)立測(cè)量過(guò)程溫度的實(shí)時(shí)變化。由于熱式設(shè)備是直接測(cè)量質(zhì)量流量的設(shè)備,而過(guò)程溫度的變化會(huì)直接影響到質(zhì)量流量,熱式設(shè)備在設(shè)計(jì)上可以自動(dòng)修正過(guò)程溫度變化帶來(lái)的影響。等質(zhì)量流量傳感器設(shè)計(jì)確保了變化無(wú)滯后效應(yīng),因此可以提供實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。正因?yàn)槿绱?,大部分熱式流量?jì)天生多變量,并且可以提供過(guò)程溫度輸出。

另外,熱式設(shè)備幾乎不受壓力變化的影響,除非測(cè)量的是極低流量(低于0.25英尺秒),因?yàn)樽匀粚?duì)流現(xiàn)象可能在插入式傳感構(gòu)造上產(chǎn)生熱度上升的流量效應(yīng)。利用低功率分界層傳感,包括FCI在內(nèi)的一些公司開(kāi)發(fā)出了非插入式設(shè)計(jì),將低流量和高流速傳感提升到了一個(gè)新的高度。

在極低流量應(yīng)用中,大部分制造商的產(chǎn)品規(guī)格或軟件選擇限制了插入式構(gòu)造的使用。在正常工程流量范圍下,排除壓力影響的獨(dú)立研究顯示,未經(jīng)校正的熱式質(zhì)量流量計(jì)每100PSI的壓力波動(dòng)可能導(dǎo)至1~2%的讀數(shù)漂移。熱式傳感原理,無(wú)論是恒溫差式還是恒功率式,都同樣受到影響。圖3所示為FCI流量計(jì)在典型的壓力波動(dòng)范圍內(nèi)的性能曲線(xiàn)圖,壓力影響對(duì)精度的影響被控制在1%以?xún)?nèi)。


圖3 典型性能曲線(xiàn)顯示壓力波動(dòng)對(duì)精度影響1%

熱式產(chǎn)品制造商監(jiān)測(cè)到,大幅度的過(guò)程壓力波動(dòng)會(huì)由于氣體特性的變動(dòng)而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生更大影響。對(duì)于這類(lèi)特別的應(yīng)用,F(xiàn)CI推出了專(zhuān)利產(chǎn)品——內(nèi)置壓力傳感及校正的熱式質(zhì)量流量傳感器。在大部分采用熱擴(kuò)散原理產(chǎn)品的普通過(guò)程控制應(yīng)用中,無(wú)需用到這種特殊構(gòu)造的產(chǎn)品。然而,在諸如天然氣傳輸這類(lèi)存在大幅度壓力波動(dòng)的密閉傳輸裝置應(yīng)用中,就需要采用這種特殊構(gòu)造,使熱式原理的產(chǎn)品達(dá)到應(yīng)用的精度要求。

總而言之,突破性的傳感器設(shè)計(jì)、先進(jìn)的信號(hào)處理、高精度標(biāo)定及運(yùn)用流體調(diào)整技術(shù)減輕不理想的安裝條件對(duì)測(cè)量的影響相結(jié)合,使得熱式流量?jī)x表站在了高性?xún)r(jià)比和長(zhǎng)使用壽命的測(cè)量原理的前沿。目前市場(chǎng)上有各種性能和價(jià)位的熱式產(chǎn)品可供選擇。如今,先進(jìn)可靠的熱式產(chǎn)品完全適用于各種最苛刻的過(guò)程應(yīng)用,并滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)精度和重復(fù)性的要求。

電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介 

電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介是一種常用的流量測(cè)量?jī)x器,可以根據(jù)導(dǎo)電流體通過(guò)外加磁場(chǎng)時(shí)感生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量導(dǎo)電流體流量,被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域中。電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有哪些呢?

電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
1.電磁流量計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量管內(nèi)沒(méi)有可動(dòng)部件,也沒(méi)有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流部件。所以當(dāng)流體通過(guò)流量計(jì)時(shí)不會(huì)引起任何附加的壓力損失,是流量計(jì)中運(yùn)行能耗zui低的流量?jī)x表之一。

2.可測(cè)量贓污介質(zhì)、 耐震壓力表 腐蝕性介質(zhì)及懸濁性液固兩相流的流量。這是由于儀表測(cè)量管內(nèi)部無(wú)阻礙流動(dòng)部件,與被測(cè)流體接觸的只是測(cè)量管內(nèi)襯和電極,其材料可根據(jù)被測(cè)流體的性質(zhì)來(lái)選擇。例如,用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做內(nèi)襯,可測(cè)量各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì);采用耐磨橡膠做內(nèi)襯,就特別適合于測(cè)量帶有固體顆粒的、磨損較大的礦漿、水泥漿等液固兩相流以及各種帶纖維液體和紙漿等懸濁液體。

3.電磁流量計(jì)是一種體積流量測(cè)量?jī)x表,在測(cè)量過(guò)程中,它不受被測(cè)介質(zhì)的溫度、粘度、密度以電導(dǎo)率(在一定范圍)的影響。因此,電磁流量計(jì)只需經(jīng)水標(biāo)定后,就可心用來(lái)測(cè)量其它導(dǎo)電性液體的流量。

4.電磁流量計(jì)的輸出只與被測(cè)介質(zhì)的平均流速成正比,而與對(duì)稱(chēng)分布下的流動(dòng)狀態(tài)(層流或湍流)無(wú)關(guān)。所以電磁流量計(jì)的量程范圍極寬,其測(cè)量范圍度可達(dá)100:1,有的甚至達(dá)1000:1的可運(yùn)行流量范圍。

5.電磁流量計(jì)無(wú)機(jī)械慣性,反應(yīng)靈敏,可以測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量,也可測(cè)量正反兩個(gè)方向的流量。

6.工業(yè)用電磁流量計(jì)的口徑范圍極寬, 電接點(diǎn)壓力表 從幾個(gè)毫米一直到幾米,而且國(guó)內(nèi)已有口徑達(dá)3m的實(shí)流校驗(yàn)設(shè)備,為電磁流量計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
流量傳感器殼體為不銹鋼。當(dāng)DN≤150時(shí),流量傳感器殼體為鑄鋁,DN≥200時(shí),殼體為碳鋼。連接形式法蘭式,符合GB、DIN及ISO等法蘭連接標(biāo)準(zhǔn),特殊標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)用戶(hù)要求定制??汕袚Q的脈沖輸出,信號(hào)轉(zhuǎn)換器模塊化設(shè)計(jì),采用EEPROM技術(shù)保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換器的互換性,無(wú)需重新輸入?yún)?shù)。多功能顯示,在多參數(shù)模式下可查看多達(dá)6種不同的流量參數(shù)。



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