多变量V锥变送器的研究

　　0　引言

　　目前,国内外广泛应用的质量流量测量方法包括直接式流量测量法和间接式流量测量法,即把体积流量计与温度传感器和(或)压力传感器结合起来,以补偿流体密度的变化,再采用密度和体积流量相乘,从而得出质量流量的量值。近年,一些国家逐渐推出以差压变送器为基础的多变量变送器,即用1台变送器同时检测温度、压力、流量等参数,当被测介质是气体、蒸汽时,可通过温度、压力补偿的方法来实现气体、蒸汽的质量流量测量。但是多变量差压变送器存在压损大、量程比小、节能效果差的缺点。

　　所研究的多变量变送器是在“V”形内锥式节流装置的基础上开发的,它可同时检测温度、压力和流量信号,并通过补偿公式得到测量成分不变的工况密度,从而实现气体、蒸汽的质量流量测量。

　　1　多变量V锥变送器的工作原理及温压补偿

　　1 .1　多变量V锥变送器的工作原理

　　多变量“V”形内锥式变送器主要由传感器和转换器两部分组成。传感器包括“V”形内锥式节流装置、温度传感器、压力传感器等;转换器包括信号采集电路、D /A转换电路、输出接口电路等。

　　“V”形内锥式流量计利用同轴安装在测量管中的“V”形尖圆锥,将流体逐渐地节流,收缩到管道内壁附近[1-2],见图1。

　　其流量测量的主要的理论基础是密闭管道中能量守恒定律和流动连续性方程,即伯努力(Bernoulli)定理。定理的内容是在流量恒定的管段中,其流体的压力与该管段中流体流速的平方成反比。其流量方程式如式(1)所示。

　　式中:q_m为质量流量, kg/s;ε为气体膨胀系数;C_D为流出系数;β_v为等效直径比;β为传统直径比;D为管道直径,m;Δ_p为差压值, Pap_a;ρ为介质密度, g/m³

　　与孔板通过强迫流体收缩到管道中心使其前后形成差压的原理形成鲜明对比,“V”形内锥式流量传感器的节流装置不再是一个阻挡物而使流体突然改变流动方向,而是利用这种结构实现使得流体逐渐向管内壁收缩。结构改变的同时,“V”形内锥式流量传感器对流量公式也进行了新的诠释,传统的直径比改进成了有效直径比,即如式(2)所示。

　　式中d_v为圆锥体直径,m.

　　从式(1)可知,“V”形内锥体前后的差压和流体质量流量成正比,只要用差压传感器测量出差压的大小,就可准确地确定流体的质量流量。

　　1 .1 .2　温度测量

　　该变送器中选用了PT100铂电阻温度传感器作为测温元件。铂电阻在很宽的范围内有相当好的稳定性,因此有极好的复现性能,是作为精密温度计的主要传感器。其工作原理是金属的电阻值随着温度变化而有规律地变化。当被测温度≥0℃时,铂电阻的电阻值R_t和温度t之间存在如下关系: