一種新型的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統

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一種新型的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統

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Douglas E. Dodds

  摘要:本文介紹了一種新型的車載氣體流量計檢定系統。該系統由計算機控制一臺數控噴嘴切換閥,可以根據流量計的口徑自動選擇11個音速噴嘴中的任一個對氣體流量計在工況條件下進行檢定;同時該系統中還有一臺氣相色譜儀與音速噴嘴結合起來完成氣體質量流量的運算。文章中還介紹了用音速噴嘴檢定氣體渦輪流量計的質量流量公式和客積流量公式,以及檢定系統的工藝流程圖。采用該系統檢定氣體渦輪流量計,可以由計算機直接進行溫度、壓力修正,提高檢定準確度。

一、簡介

  Arkla管道集團研究了一種車載音速噴嘴檢定裝置,可以在實際工作條件下檢定氣體渦輪流量計,檢定的流量計口徑在3-16 in。這種檢定系統與氣相色譜儀結合,完成氣體質量流量計算。
這個檢定系統較過去的方法有很大的提高。在大多數情況下,在大氣壓下檢定的渦輪流量計用于工作狀態,原來的儀表常數將發生飄移。而采用音速噴嘴在實際工作壓力、溫度條件下檢定克服了這一不足。另外,音速噴嘴系統使用天然氣為介質而不是空氣,也去掉了由空氣引入的誤差。
車載檢定系統可以檢定整個渦輪計量系統,而不僅僅是檢定一臺渦輪流量計。這意味著由脈動引起的誤差可以被檢測出來,這是其它任何檢定系統所不能做到的。
二、定 義
音速噴嘴流量的基本定義是:在其它參數維持不變的情況下,當噴嘴下游的壓力降低到某一點時,即使下游壓力繼續下降,也不會引起噴嘴喉管的質量流量進一步增加。在這一點,氣體在噴嘴喉管處的運動速度為音速,被稱為"臨界流"、"音速流"或稱為"扼流"。氣體的質量流量可以在噴嘴喉管被精確地確定出來。早期,需在噴嘴的進口和出口的壓力降低到50%時,才能獲得音速,然而現在壓力降可以小到5%,而典型的壓降不會超過10%,即可以得到音速。
三、車載檢定裝置的設備
1、一臺車載板房,將其間隔成微機間、閥組間、空氣壓縮機間和電源間。這樣可將危險區與非危險區分開。
2、一個計算機控制系統,包括一臺IBM。386微機,其具有120兆硬盤32臺打印機和一個遠程終端(RTU)。遠程終端是微機與數控閥的接口,它有控制輸出、狀態輸入和模擬輸入控制輸出開關電磁氣動閥-每一個噴嘴有一個電磁閥。每一個執行器由2個舌簧開關提供狀態輸入信號,反映執行器的位置,由微機判定哪些噴嘴在工作狀態。來自空氣壓縮機的狀態輸入信號可以指示出空氣壓力是否降至751b/in2(表)以下,該壓力是數控閥的最小操作壓力。模擬輸人代表渦輪流量計的工作溫度和壓力(兩個輸入)、閥進口和出口的壓力(三點輸入)和閥進口的溫度(一點輸入)。
3、一臺Daniel氣體色譜儀,其在檢定系統中是一臺關鍵設備。氣相色譜儀每6min對氣體進行一次實時組分分析,并將結果通過一個RS。232的通訊接口輸送到計算機。計算機應用分子百分量計算出用于質量公式的兩個可變量。氣體色譜儀條型記錄儀和控制器安裝在非危險區的微機房內。色譜儀的取樣探頭安裝在危險區內的數控閥的管線上。
4、2個供電單元使檢定系統維持運轉。一個2.8kW單元驅動小的負載,如色譜儀、計算機和RTU。一個7kw電機帶動一個空氣壓縮機和空氣調節器。
5、一臺1hp的空壓機提供100lb/in2(表)壓力的空氣給數控閥的電磁閥,用以操作噴
嘴。該氣源也用于開動小型的手動工具。
6、連接管線,由2根口徑為4in,長為14ft的撓型管連接被檢儀表和檢定系統。一根連接被檢表到檢定裝置的進口,另一根連接檢定裝置出口到返回管線。每一個連接頭都采用高壓快速接頭,管線的工作壓力為550lb/in2(表)。

  7、數控切換閥,如圖1所示的數控閥重1100lb,它有11個供選擇的音速噴嘴通道,其以二進制方式控制。由于最大的兩個噴嘴分為最大通道功能和邏輯控制。二進制控制給數控閥10bit的分辨率。結果是流量的增量階程為58.7Ac勛。RIU的電控信號控制著氣動電磁閥的開關,同時又控制氣動操作電磁閥以使音速噴嘴進入工作狀態。氣缸在閥的中間,其具有足夠的能量,即使空氣供應中斷仍可使閥門旋轉兩次。
數控閥體上有4個連接孔:2個進口和2個出口。連接口用于連接進口的溫度變送器和進口、出口的壓力變送器。由于進口壓力應十分精確,一個進口應安裝2個壓力變送器,其量程范圍分別是0-75lb/in2(表)和0-200lb/in2(表)。當壓力達到第一個壓力變送器量程的95%時,計算機將測壓儀表從第一個壓變轉換到第二個壓變。一次有一個噴嘴打開,氣體從入口進入噴嘴,再從殼體的4個管口流出進入外殼體,然后流出閥體。

四、基本流量公式

  檢定裝置計算質量流量用以下公式

式中: M-工況狀態下的質量流量,lb;
P-殼體內壓力,1b/in2(絕);
A-噴嘴喉部的截面積,in2;Arkla噴嘴直徑的范圍為0.0620-0.9941in,因此,其面積范圍約為0.003-0.776in2;
C-臨界流量系數,它是比熱值的函數(等炳流量常數)。它是一個與氣體流動狀態下的氣體聲速有關的參數。在Arkla的系統中,有代表性的天然氣估算的臨界流量系數值是0.7(無量綱)。該值    與壓力和溫度有關。C是用色譜儀分析計算出的分子百分量計算而來的;
Cd-流出系數,或實際質量流量除以理論質量流量得的數。簡言之,它是噴嘴設計的效率,對不同的噴嘴它是不同的,并且是通過標定確定的。Arkla的噴嘴流出系數范圍為0.96-1.0(無量綱);
R-氣體常數,其值是48.03除以氣體分子量;由氣相色譜儀分析計算的被測氣體的分子量也用于此;
T-殼體內的溫度,R(℉+460)。
容積流量是質量流量除以密度,密度等于P/ZRT,容積流量用下式計算:

式中: V-容積流量;
Z-殼體內的壓縮系數(R.C.Johnson,不是AGA),是一個接近1的數值。氣相色譜儀分析計算的分子量和氣體組分可以用于此;
Rv-氣體常數,等于2.398除以氣體分子量。氣相色譜儀計算的分子量也用于此。R和Rv已被調整為工程單位。

五、檢定工藝流程

  氣體流經渦輪流量計,然后經過數控閥并送出4個信號,如圖2所示。測量氣體壓力和溫度的兩個信號,另外2個脈沖信號來自渦輪流量計的脈沖發訊器和來自數控閥的質量流量信號。需注意的是渦輪流量計的脈沖信號取自轉換齒輪下部。

圖2 檢定系統流程圖

  當流量計旋轉一圈時,計算機測得裝在渦輪流量計上發訊盤發出的數據。第一級齒輪是中間變速輪,對于Rockwell渦輪流量計和American流量計,它們的輸入輸出比為122.0555-l。第二級齒輪是變速齒輪,其輸入輸出比在1和2比1之間。
流量計記數器固定在變速齒輪頂部,根據儀表口徑不同,輸出軸每轉一圈記數器讀數是100或1000 Acf。對3-6in的流量計,記數器與輸出軸的比是100:1;因此,變速齒輪上面的輸出軸每轉一圈代表1ft3,對于8in或更大的流量計,記數器與輸出軸間的比是1000:1。流量計信號、中間齒輪、變速齒輪和記數器給出的結果是實際工況下的立方英尺流量(Acf)。
壓力、容積、溫度(PVT)圖表安裝在記數器的上部并用來校驗記數器。
計算機輸入儀表溫度和壓力,并應用儀表測量的Acfh計算出Scfh(標準A3/h);以lb為單位的質量流量是計算機從數控閥中獲取數據除以標準狀態下的密度值。在系統中流經渦輪流量計而后又通過數控閥的氣體,其質量流量在各處都是一個常量。
然而,以實際立方英尺的容積流量隨著氣體的組分、溫度、壓力而改變。因此,在閥體的容積流量與渦輪流量計處的容積流量不同。對于一定的質量流量,當氣體密度增加時,實際容積流量(Acfh)減小。閥體中的容積流量高于其在渦輪流量計處的流量--這是因為閥進口的壓力低于渦輪流量計處的壓力,使流體流速略有升高。這就是為什么閥門和流量計處的壓力和溫度都需要測量的原因。
渦輪流量計指示的Scfh和數控閥給出的Scfh之間的差即是渦輪流量計在該流量點的誤差。該誤差是相對于百分流量繪制的百分誤差。這個百分儀表誤差曲線是以實際流量對一個專門的儀表尺常數繪制的。通過輸入計算機一個不同的變速比可以很容易改變K常數(脈沖數/ft3)。
為了得到最小的誤差,可以通過軟件程序應用不同尺寸的噴嘴,并可以通過改變齒輪傳動比對渦輪流量計實現檢定。使用軟件程序可以節約時間并省力,而實際上代替了改變齒輪傳動比并且可反復對流量計檢定,直到取得一個理想的結果。用10個不同流量點的檢定結果可以繪制出詳細的圖表。

六、結束語

  Arkla公司的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統應用于檢定工作狀態下的渦輪流量計已有5年時間,并且已完成了3500多臺流量計的檢定。結果表明從未出現過氣體泄漏問題,大大地提高了測量準確度。

編譯:潘兆柏

 

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