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专利名称:气体流量计的制作方法
本发明涉及一种工业气体自动流量检测校验装置,特别是用于饱和蒸气和过热蒸气流量的检测装置。
目前用于气体流量的检测方法和装置不下几十种,例如通常用于蒸气流量检测的孔板节流蒸气流量检测装置,这种蒸气流量检测装置的构成如图〔1〕所示,其根据由柏努利方程推导出的实用流量公式来计算蒸汽的流量M。该公式为M=C△P·ρ〔1〕]]>式中C1为流量仪表系数,△P为孔板两端的差压,ρ为孔板〔1〕入口处前的蒸汽密度。系数C1可用下列方程表示C1=·ε·d2〔2〕其中α是流量系数,ε是膨胀系数,d是孔板〔1〕的孔口直径。由于蒸汽密度ρ与压力和温度有关,故蒸汽密度ρ所用其与压力和温度的函数关系来表示。
在饱和蒸汽的情况下式〔1〕中的蒸汽密度ρ与孔板〔1〕入口处前的蒸汽压力有关,其数值的关系式可写成如下ρ=(1/16+15/16(P1)/(PO))ρO式中P0是孔板〔1〕入口前的蒸汽设计压力,是一常数;ρ0是孔板〔1〕入口处前的蒸汽设计密度,是一常数;P1是孔板〔2〕入口处前蒸汽的实际工作压力,是一变量。
饱和蒸汽时的流量M1计算公式可表达为
M1=·ε·d2△P(116+1516·P1PO)ρO〔3
〕]]>在过热蒸汽的情况下,式〔1〕中的蒸汽密度ρ不仅与孔板〔1〕入口处前的蒸汽压力有关,而且是孔板〔1〕入口处前的蒸汽温度有关,而且是孔板〔1〕入口处前蒸汽的函数,其表示式为ρ=P1PO·TOT1·ρO〔4〕]]>式中P0是孔板〔1〕入口处前的蒸汽设计压力,ρ0是孔板〔1〕入口处前的蒸汽设计密度;T0是孔板〔1〕入口处前的蒸汽设计温度;P1是孔板〔1〕入口处前的蒸汽的实际工作压力;T1是孔板〔1〕入口处前蒸汽的实际工作温度。其中P0、ρ0、T0,均为常数,P1、T1是变量。
过热蒸汽时的流量M2计算公式可表达为M2=·ε·d2P1PO·TOT1·△P·ρO〔5〕]]>已知的蒸汽流量检测装置通常采用式〔3〕或式〔5〕来计算蒸汽的流量。该装置采用式〔3〕计算蒸汽流量时,必须测出二个变量△P,和P1;而采用式〔5〕来计算过热蒸汽流量时,则必须测出三个变量△P及P1和T1。为了检测蒸汽的流量,这种已知的蒸汽流量检测装置如图〔1〕所示由一个孔板〔1〕,一个平衡阀〔3a〕,一个差压电变送器〔3〕,一个压力电变送器〔4〕,一个温度传感器〔5a〕,一个温度电变送器〔5〕和一个流量运算装置〔6〕构成。当蒸汽流过孔板〔1〕时,孔板〔1〕的二端产生一个与流速相应的差压,该差压由管路经平衡阀〔3a〕接入差压电变送器〔3〕再由差压电变送器转换成代表差压的电流模拟信号。孔板〔1〕入口处前的蒸汽压力通过压力电变送器〔
4〕转换成代表蒸汽压力的电流模拟信号。如果是过热蒸汽,这种已知的检测装置还有一温度电变送器〔5〕和一温度传感器〔5a〕用于将孔板〔1〕入口处前的蒸汽温度数值转换成代表蒸汽温度的电流模拟信号。这三种代表蒸汽差压、压力及温度的电流模拟信号输入流量运算装置〔6〕并在该运算装置〔6〕中进行运算,然后输出代表流量的脉冲,用一已知的计算器在流量运算装置〔6〕的输出端计算出脉冲数,便可算出蒸汽的流量。
如图〔1〕所示的已知流量检测装置采用式〔3〕或式〔5〕来计算蒸汽的流量时,式〔3〕或式〔5〕中流量系数α和膨胀系数ε都被假设成常数。但在蒸汽实际工作时,特别是在饱和蒸汽或过热蒸汽的情况下不仅膨胀系数ε和流量系数α随蒸汽的工作状况变化,同时受孔板〔1〕的端面〔2〕和孔〔2a〕间的角度和它们的制造精度所决定。制造时尽管端面〔2〕和孔〔2a〕的角度和制造精度可以提高,但在高温高速蒸汽的磨擦下,端面〔2〕和孔〔2a〕的角度很快就会磨损变形,从而流量系数α也随着这种磨损变形和蒸汽工作状况的变化而变化。已知的流量检测装置虽然通过差压电变送器〔3〕能较精确的测出孔板〔1〕两端的差压和精确地测出孔板〔1〕入口处前蒸汽的温度和压力,但由于流量系数α、膨胀系数ε都是变量,并且在一般情况下流量系数α和膨胀系数ε无法精确地获得补偿,所以这种已知的流量检测装置测量误差大,测量精度一般只能得到
,并且还有结构复杂,转换环节多,成本高的缺点。
本发明的任务是要提供一种能自动地精确地检测气体流量的检测装置,特别是能自动地精确地检测饱和蒸汽或过热蒸汽流量的检测装置。
本发明的任务采用如下的方式来实现的。本发明利用临界流文丘利喷咀入口是一个圆弧,能耐高温高速气流的磨擦,气流的流量系数相对稳定和气流流过一临界流文丘利喷咀颈部时,流速恒为音速,流量系数不受气流工作状况的影响是一常数;并且在饱和蒸汽或过热蒸汽情况下,所测气流的质量密度仅与临界流文丘利喷咀入口处前气流的压力、温度有关的这一原理,在饱和蒸汽时用一气体整流装置使流经的蒸汽呈稳定流状况后,通过临界流文丘利喷嘴,再用一专门设计的压力输送装置,将临界流文丘利喷咀入口处前的气流工作压力输入到一个处理运算装置,运算显示出所测气流的流量瞬时值和流量累积值;当气流是过热蒸汽时,本发明还设置有一个温度传感装置,将临界流文丘利喷咀入口处前的蒸汽温度转换成电流信号输入处理运算装置,以补偿过热蒸汽在临界流文丘利喷咀前入口处的蒸汽质量密度ρ。从而本发明只要测出临界流文丘利喷咀入口处的蒸汽压力和温度就能精确地计算出蒸汽的流量。
众所周知,当气流在专门设计的管道中流过临界流文丘利喷咀时,气流的流量
qm公式为qm=A*CCr·P·ρ〔6〕]]>式中,A*-临界流文丘利喷咀的开口面积,C-流量系数,Cr-真实气体的临界流系数,ρ-临界流文丘利喷咀入口处前气流迟滞状况下的密度,P-临界流文丘利喷咀入口处前气流迟滞状况下的压力。
其中流量系数C可以用如下关系式来表达C=a-bRed-n式中a、b、n为计算常数,Red为喷咀颈部处气流雷诺数。
由于临界流文丘利喷咀的入口是一圆弧,能较好地耐高温高速气流的磨擦,并且当气流经临界流文丘利喷咀的颈部时,气流剧烈收缩,×105~×106时,气流的流速稳定在音速,这时气流的C和Cr恒定,加上临界流文丘利喷咀开口的面积,A*是设计时确定的一常数,故临界流文丘利喷咀的流量系数是一常数,即使气流的工作状况发生变化,只要这种变化在设计范围内,它也不会象孔板法那样有α和ε值的变化。
在饱和蒸汽时,根据蒸汽的密度ρ仅与蒸汽的压力P有关这一原理,蒸汽实际工作时的密度值可用下式来表示ρ=a+bP1〔7〕其中a、b均为设计确定的仪表常数;P1为临界流文丘利喷咀入口处前的蒸汽实际压力。将式〔7〕代入式〔6〕便可得到饱和蒸汽的流量qm1计算公式为qm1=A*CCrP1(a+bp1)〔8〕]]>在过热蒸汽时,由于气流工作时的实际密度ρ1不仅与气流工作时的实际压力P1有关还与气流工作时的实际温度
T1有关,故其关系式可表示为ρ1=(P1)/(PO)·(TO)/(T1)·ρO〔9〕其中T0为气流的设计温度,T1为气流工作时的实际温度,ρ0为气流的设计密度,ρ1为气流工作时的实际密度,P0为气流的设计压力,P1为气流工作时的实际压力。将式〔9〕代入式〔6〕便可得到过热蒸汽的流量qm2计算公式为qm2=A*CCrp1(P1PO·TOT1·ρO)〔10〕]]>采用临界流文丘利喷咀作为检测气流流量的元件后,由于临界流文丘利喷咀的入口是一个圆弧,能较好地耐高温气流的磨擦,从而气流的膨胀系数α保持稳定;并且当气流流经临界流文丘利喷咀的颈部时,气体剧烈的收缩,气流的流速达到音速,××106时,气流的流速趋于稳定,故此时的流量系数C是一个常数。所以在饱和蒸汽的情况下,临界流文丘利喷咀的饱和蒸汽流量计算公式中只有气流的压力P1是一变量。同样,在过热蒸汽的情况下,临界流文丘利喷咀的流量计算公式〔10〕中,只有蒸汽的实际工作压力P1和蒸汽的实际工作温度T1二个变量。由于这二个变量都能较方便地精确测量出来,只要测出蒸汽实际工作压力P1和蒸汽实际工作温度T1,便可以根据临界流文丘利喷咀流量计算公式精确地计算公式精确地计算出蒸汽的流量。
下面将结合本发明在过热蒸汽时的一个实施例详细地描述本发明的原理和装置的结构。
图〔2〕是本发明在过热蒸汽时的一个实施例。
图〔3〕是实施例中处理运算装置的结构部分。
依照本发明该流量检测装置包括有一个气体整流装置〔7〕,用于使蒸汽保持稳定流状态;
一个临界流文丘利喷咀〔8〕,用于使通过所述临界流文丘利喷咀〔8〕颈部〔24〕的蒸汽的流量系数C成一常数;
一个压力输送装置〔9〕(图〔2〕中用虚线表示的部分),用于输送临界流文丘利喷咀入口处前蒸汽工作状况时的蒸汽压力值;
一个温度传感装置〔25〕,用于将蒸汽工作状况时在临界流文丘利喷咀入口处前的蒸汽温度值转换成电流信号;
一个运算处理装置〔18〕,用于处理运算从所述压力输送装置〔9〕和温度传感装置〔25〕输入的压力和温度数值并显示该运算的结果。
根据式〔10〕,在过热蒸汽情况下,气流密度与蒸汽压力和温度有关,所以本实施例如图〔2〕所示,气体整流装置〔7〕和临界流文丘利喷咀〔8〕串接在蒸汽管道上,在气体整流装置〔7〕和临界流文丘利喷咀〔8〕之间的蒸汽管道上开有二个蒸汽引出孔〔28〕、〔29〕。引出孔〔28〕通过管子与温度传感装置〔25〕的输入端连接;引出孔〔29〕通过管子与压力输送装置〔9〕的蒸汽输入孔〔26〕连接。在临界流文丘利喷咀〔
8〕出口处的蒸汽管道上还开设有一个蒸汽引出孔〔30〕,该引出孔〔30〕通过管子与压力输送装置〔9〕的蒸汽输入孔〔27〕连接。压力输送装置〔9〕是一个专门设计的阀。该压力输送装置〔9〕的壳体由壳体〔16〕和壳体〔17〕组成。蒸汽引入孔〔26〕开设在壳体〔17〕上,在壳体〔17〕的端壁上还开设有一贯穿该端壁的孔〔13〕和一个与孔〔13〕相垂直并与该孔相贯通的孔〔14〕;蒸汽引入孔〔27〕开设在壳体〔16〕上,压力输送装置〔9〕的工作室由一弹性膜片〔31〕分隔成第一工作室〔32〕和第二工作室〔33〕。在第一工作室〔32〕中设置有一横置的针阀〔12〕;针阀〔12〕的一端固定在膜片〔31〕上;针阀〔12〕的另一端是一个伸长部分〔34〕,该伸长部分〔34〕穿过和伸出孔〔13〕,并且在其伸出壳体〔17〕端壁部分的端部上设置有一个密封件〔10〕。在第二工作室〔33〕中设置有一个横置的弹簧〔15〕,该弹簧〔15〕的一端固定于壳体〔16〕的端壁上,另一端固定于弹性膜片〔31〕。
在蒸汽工作时,蒸汽首先流经气体整流装置〔7〕使蒸汽呈稳定流状况,然后流经临界流文丘利喷咀〔8〕,在蒸汽通过临界流文丘利喷咀颈部时,蒸汽剧烈收缩,流速达到音速,×105~×104时呈一常数,并在临界流文丘专喷咀〔8〕的两端产生一个差压,临界流文丘利喷咀〔8〕两端的压力分别从蒸汽引出孔〔
29〕、〔30〕通过管子经压力输送装置〔9〕的蒸汽引入孔〔26〕、〔27〕输入压力输送装置〔9〕的第一工作室〔32〕和第二工作室〔33〕。由于第一工作室〔32〕内的压力大于第二工作室〔33〕内的压力,膜片〔31〕在第一工作室〔32〕内的蒸汽压力作用下压缩弹簧〔15〕并带动针阀〔12〕一起向第二工作室〔33〕方向移动,同时打开孔〔13〕在第一工作室〔32〕内的开口和通过密封件〔10〕关闭孔〔13〕在壳体〔17〕端壁上的出口,使蒸汽压力经孔〔13〕,孔〔14〕输出,再用一管子将从孔〔14〕输出的蒸汽接入处理运算装置〔18〕。当蒸汽不工作时,由于临界流文丘利喷咀〔8〕两端的蒸汽压力相同,压力输送装置〔9〕的第一工作室〔32〕和第二工作室〔33〕内的蒸汽压力也相同;但由于弹簧〔15〕的作用,膜片〔31〕在弹性力的推动下,带动针阀〔12〕一起向第一工作室〔32〕方向移动,使针阀〔12〕关闭孔〔13〕在第一工作室〔32〕的入口和开启孔〔13〕在壳体〔17〕端壁上的开口;这时管道通路被针阀〔12〕切断,于是孔〔14〕通过孔〔13〕与大气相通,故蒸汽不工作时,处理运算装置〔18〕接收到的是大气压。
检测蒸汽流量时,蒸汽的压力通过压力输送装置〔9〕输入处理运算装置〔18〕的同时,蒸汽的温度通过温度传感装置〔25〕转换成电流信号输入到处理运算装置〔18〕进行运算。
处理运算装置〔18〕如图〔3〕所示包括有一个压力电变送单元〔
19〕,用于将输入的蒸汽压力数值转换成电流模拟信号;
一个温度电变送单元〔20〕与温度传感装置〔25〕配用。将输入的蒸汽温度数值转换成电流模拟信号;
一个流量运算单元〔21〕,用于对输入的代表蒸汽压力和温度的电流模拟信号进行运算,并根据运算的结果输出一个代表蒸汽流量的电流模拟信号和输出代表蒸汽流量的脉冲信号;
一个流量瞬时值显示单元〔22〕,用于接收和显示从流量运算单元输出的代表蒸汽流量的电流模拟信号并显示出来。
一个流量累积值显示单元〔23〕,用于接收从流量运算单元输出的代表蒸汽流量的脉冲信号并累积显示出来。
装置工作时,温度传感装置〔25〕与处理运算装置〔18〕中的温度电变送单元〔20〕配用将输入的蒸汽温度数值转换成电流模拟信号并输入流量运算单元〔21〕;同时压力电变送单元〔19〕将输入的蒸汽压力数值转换成电流模拟信号并输入流量运算单元〔21〕。上述两种代表蒸汽的温度和压力的温度在流量运算单元〔21〕中,按照式〔10〕进行乘法和开方等数学运算,运算的结果除直接以电流的形式直接输入流量瞬时显示单元〔22〕显示出流量的瞬时值外,运算的结果再经一电路的处理,以脉冲的形式输入流量累积显示单元〔23〕显示流量的累积值。