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            溫度傳感器在燃氣計量儀表中的應用研究

            來源:作者:發表時間:2020-11-12 15:21:32

             摘 要 :基于渦輪流量計,對溫度傳感器在渦輪流量計上的不同安裝方式,其檢測的溫度是否存在差異 ;在正常安裝方式下,溫度傳感器對環境溫度是否敏感等方面進行試驗研究。研究表明:試驗檢測出來的溫度差異是在可允許范圍內的;同樣地,溫度傳感器對環境溫度變化的敏感度很低,滿足燃氣計量儀表的要求。

             
            引言
            城市燃氣作為一種珍貴的潔凈能源,其流量計量的準確程度關乎到中國科技進步、工業發展以及人民的日常生活 [1]。就國內目前的現狀來看,燃氣計量的方法主要還是傳統的體積計量 [2]。城市燃氣計量屬于氣體流量計量,因而與液體和固體計量有著明顯的差別。燃氣計量的準確性一般會受到來自壓力與溫度的影響。而近幾年來,在計算機、智能儀器技術發展的帶動下,計量系統已經具備了溫度和壓力的自動補償功能 [3]。這就使得燃氣計量儀表上必須有溫度傳感器,以此來檢測溫度。然而,從燃氣計量儀表的表殼加工便利性或者從加工成本方面考慮,可能會使溫度傳感器安裝在不同的位置,這樣便可能會使溫度傳感器所檢測出來的溫度有差別。
             
            基于溫度傳感器安裝方式的不同和經常變化的環境溫度,本文將會對溫度傳感器在不同安裝方式下(儀表內和正常安裝位置),其檢測的溫度是否存在差異 ;以及正常安裝方式的溫度傳感器對環境溫度變化是否敏感兩方面進行研究。
             
            1 試驗裝置選型
            1.1 渦輪流量計
            本試驗所選用的計量儀表為本公司生產的某型號氣體渦輪流量計,把溫度傳感器安裝在此渦輪流量計上進行試驗。氣體渦輪流量計是新一代的智能型流量儀表,具有精度高、重復性好、量程范圍寬、體積小、結構比較簡單、運動部件少等優點,所以非常適合本試驗,具有普遍性。圖 1 為本公司某型號渦輪流量計。其工作原理是 :當氣流進入流量計時,首先經過整流器整流并加速,在流體的作用下,渦輪克服阻力矩開始轉動。當力矩達到平衡時渦輪轉速穩定,其轉速與氣體工況流量成正比,并通過機械傳動及磁耦合聯接驅動輪計數器轉動,直接累積氣體的工況體積總量。由于氣體是由大量雜亂無章運動著的分子組成的,分子間的距離較大,隨著溫度或壓力的變化,分子間距會發生變化,其體積與壓力成反比,與溫度成正比。
             
            因此,當被測氣體的溫度和壓力發生變化時,是無法計量和比較氣體的體積流量的,需要將其統一轉換為標準狀態下的體積流量 [4]。所以本公司設計的渦輪流量計可通過配置體積修正儀,測量氣體的溫度、壓力、標況體積流量和總量。產品主要性能指標達到國際先進水平,是石油、化工、電力、冶金工業等氣體檢測或計量和城市燃氣貿易計量的理想儀表。
             
            1.2 溫度傳感器
            本試驗所選用的溫度傳感器型號為 TMP275(0.5℃數字輸出溫度傳感器)如圖 2 所示,TMP275 是一個精度為 0.5℃、兩線制、串行輸出溫度傳感器,此傳感器采用 MSOP-8 或SO-8 的封裝,其讀取溫度的分辨率能夠達到 0.0625℃。TMP275 是與 SMBus 兼容的,并支持在一條總線上使用多達 8 臺器件。它是在各種通信、計算機、消費電子、環保、工業和儀器儀表應用中擴展溫度測量的理想選擇。TMP275 的額定運行溫度范圍為 - 40℃~ +125℃ ;其精度為 -20℃~ +100℃時,為 ±0.5℃(最大值)。
             
            2 試驗研究
            2.1 試驗原理
            試驗裝置將由老化箱、兩臺渦輪流量計(溫度傳感器的安裝方式不同)、手推車標準裝置等組成,如圖 4 所示。試驗過程 :手推車標準裝置通過軟管將老化箱與樣機連成一個氣體循環系統。其主要是通過改變老化箱溫度設置而改變樣機管道內介質溫度,觀察幾處溫度傳感器對介質溫度、環境溫度敏感程度并記錄。
            渦輪流量計TMP275實拍的溫度傳感器組件試驗系統示意圖
            2.2 數據采集
            1)老化箱溫度的設置順序為 4℃、-20℃、55℃、-5℃,氣體循環時未開始所記錄的數據見表 1。
            2)老化箱溫度設置為 4℃,表 2 為氣體循環時正常溫度傳感器是否加熱進行對比。數據采集間隔時間大約為15min(測試時間為 1 天)。
            3)在同一流量下,老化箱設置不同溫度,表 3 為氣體循環時正常溫度傳感器與表內溫度傳感器進行對比。數據采集間隔時間大致為 15min(測試前后時間為 4 天)。
            4)從以上 3 組數據大致可看出 :介質溫度比環境溫度高時,表內溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝溫度傳感器低 ;反之相反。為了排除表內溫度傳感器與殼體接觸而熱量傳導的影響,用隔熱材料制成保護套將表內傳感器包裹只裸露端面與介質接觸。表 4 為氣體循環時表內溫度傳感器有無加隔熱保護套進行對比。數據采集間隔時間大致為 15min。(測試前后時間為兩天)。
             
            3 數據分析
            1)由表 1 數據分析得出 :
            在未開始通氣時,正常安裝方式的溫度傳感器與安裝在表內的溫度傳感器的溫度檢測值在試驗過程中最大偏差0.2℃,而試驗測試完成后的第二天觀察兩表頭溫度顯示發現有 1.4℃偏差 ;整個試驗過程都是符合做對比試驗條件要求的,而最后一對數據可能是隔熱保護套影響引起。
            2)由表 2 數據分析得出 :
            ◇ 外部是否加熱對溫度傳感器的溫度采集影響很小。
            ◇ 管道流速越快,溫度傳感器所采集顯示的溫度越低。
            ◇ 當老化箱溫度設置 4℃時,表內溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝的溫度傳感器高 1.3℃~ 1.9℃。
             
            3)由表 3 數據分析得出 :
            ◇ 介質溫度比環境溫度低時,表內溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝的溫度傳感器高 1.6℃~ 2℃。
            ◇ 介質溫度越低,兩只溫度傳感器所顯示的溫度相差越大。
             ◇介質溫度比環境溫度高時,表內溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝溫度傳感器低 0.5℃~ 1.4℃。
             
            4)由表 4 數據分析得出 :加隔熱保護套后進行試驗,表內溫度傳感器所顯示的溫度未上升而且有所下降,可排除表內溫度傳感器與殼體接觸而受熱量傳導的影響,保證前 3 組數據的真實可靠。
             
            4 結論
            溫度傳感器在燃氣計量流量計中起著重要的作用,它的測量準確性會影響到流量計的測量準確性。在流量計中如何安裝溫度傳感器顯得尤為重要,不同的安裝方式可能會影響測量準確性。本文對溫度傳感器在不同安裝方式下(管道內和正常安裝位置),其檢測的溫度是否存在差異,以及正常安裝方式的溫度傳感器對環境溫度變化是否敏感兩方面進行研究。結果表明,各種試驗所檢測出來的溫度值差值在 2℃以內,是在可允許范圍內的 ;同樣地,溫度傳感器對環境溫度變化的敏感度很低,滿足燃氣計量儀表的要求。
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