CN102538886B - 一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩空气系统流量测量领域，实现了一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计。发明内容主要涉及一种利用在管道外部产生按周期变化温度场，根据该温度场受到气流传热影响后的变化量与气体流量的关系，从而测量出管道中气体流量的方法和对应装置。本发明通过安装在气体管道外壁的自适应脉冲加热器，产生按周期变化的温度场，该热信号沿管道轴向传播并主要受到管内气体流动的散热作用影响，根据加热器上游的管道外壁测量点的温度趋势，计算相对动态均值，由于相对动态均值与流量成正比，可测得流量。本发明为管外捆绑式安装方式，装配拆卸方便，采用变温度场测量方式，可有效的抑制外界环境的温度干扰，测量耗时少，准确可靠。

Description

一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计

技术领域

本发明属于压缩空气系统流量测量领域，涉及一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计。

背景技术

气体作为一种能源存在的形态或能量的载体，在工业中的应用愈来愈广，而在压缩机系统领域中，气体流量是系统中的重要参数，其测量是关键技术，气体流量计在许多工业生产场合使用广泛。

市面上用于气体流量测量的流量计，绝大多数都是介入式设备，比如热式流量计、差压式流量计、靶式流量计等，需串联接入管道，不仅操作复杂，安装时影响工业生产，而且有干扰流动，存在压力损失及污损探头等问题。非介入测量技术可以不拆卸原有管路进行流量测量避免以上缺点，还可以实现多点测量等优点。但目前已有的设备，如超声波式，价格昂贵且可靠性极差，实用性远不能达到工业现场要求。因此气体的非介入式测量技术难度较大，目前尚无成熟的技术和产品。该技术的研发对于工业发展和经济节能，具有重大意义。

本发明提出一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计，使用时，直接在管外捆绑式安装，装配拆卸方便，对工业生产无任何干扰。另外，该发明所提及的变温度场测量方式，可有效的抑制外界环境的温度干扰，配合高效的自适应脉冲加热器及隔热罩，使得测量耗时少，测量结果准确可靠，符合工业现场对管道气体流量的测量要求。另外由于其硬件成本低，可大规模应用于工业现场，并实现多点检测，有助于工业生产的监控，达到优化生产、节能减排的目的。

发明内容

本发明的目的：提供一种应用于工业气体管道流量测量，安装方便、操作简单、测量可靠，低成本的气体流量测量装置。

本发明的技术方案：

利用管道周期变化温度场的特性测量气体流量的方法，其测量原理如下：

a)根据需要流量测量的管道，选择合适的测量点，并对管道表面进行简单的清洁处理。将仪器的加热面紧贴在被测面上，并用配套的捆绑带固定。仪器上电，根据被测管道的直径，设定加热脉冲的周期T，为使管道内壁充分加热，加热脉冲的周期不能太短，该周期的数值由下式得到：

$T=k\·\frac{\mathrm{C\ρ}{d}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，k是增益系数，C是管道材料的比热容，ρ是管道材料的密度，λ是管道材料的热导率，d是管道的公称直径。

仪器根据输入的管道直径数据，自动搜索数据库中存储的工业管道标准资料，找到对应的管道材料的比热容、密度及热导率。增益系数由控制器自动给出参考值，该值决定了测量耗时及测量的准确度，值越小，测量越快，准确度较低，反之亦然。用户可根据该参考值自行设定。

b)测量时，由处理机(6)发送加热电信号给驱动电路(4)，驱动热流阀(14)为加热工位、加热器(11)工作、水冷式制冷器(13)卸载，热量从加热器(11)传导至管道外壁(1)，管道被加热；然后，处理机(6)发送制冷电信号给驱动电路(4)，切换热流阀(14)为制冷工位、加热器(11)卸载、水冷式制冷器(13)工作，热量从管道外壁(1)传导至加热器(11)，管道被冷却。这样，重复上述操作实现了沿管道轴向方向传播的连续热脉冲（即周期变化温度场）的产生。

c)位于自适应脉冲加热器(2)上游一点的温度传感器(8)测量温度，并将测量数据通过A/D转换器(7)，传送给处理机(6)。

基于以上测量值，选择其中一段温度信号曲线作为有效段，包含三个温度变化周期，通过对有效段曲线做线性拟合可以得到反映温度场特征的温度趋势（17），计算相对动态均值f，

$f=\frac{A_0-A}{A_0},$ 其中A＝A_b+ηA_a    (2)

其中：A为动态均值，A₀为气体流量为0时的基准值。A_b为温度趋势基准值（18），A_a为温度趋势增加值（19），根据流量与f的关系，

Q＝β·f    (3)

进而解算被测对象的流量Q，其中β为流量修正系数，该系数修正由于选择不同温度信号测量段所带来的偏差。

本发明的优点：

本发明针对工业现场气体流量测量问题，提出了一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计，其作为一种管外测量手段，与传统测量手段最大的不同在于：流量计无需接入管道中，避免现今串联式仪表由于与流体直接接触而带来的所有问题；充分利用温度场的周期性变化，抑制环境温度的干扰，并且根据该温度场特征在较短的时间内解算出对应的流量数据；操作方便，硬件成本低，安装拆卸便捷。

附图说明

图1是本发明流量仪器的结构简图。

1—被测管道；2—自适应脉冲加热器；3—隔热罩；

4—驱动电路；5—显示面板；6—处理机；

7—A/D转换器；8—温度传感器；

图2是本发明中提及的自适应脉冲加热器结构简图

9—被测管道外壁；10—内导热硅脂；11—加热器；

12—柔性机构；13—水冷式制冷器；14—热流阀；

15—外导热硅脂；

图3是本发明中提及的温度信号（三个周期）参数说明简图：

16—实际测量温度—时间信号；17—温度拟合趋势；

18—温度趋势基准值；19—温度趋势增加值；

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明。

1.自适应脉冲加热器（2），其特征在于：

主要由热流阀(14)、加热器(11)以及水冷式制冷器(13)构成。热流阀(14)主要是由帕尔贴半导体元件组成，加热器(11)为陶瓷加热器组件、水冷式制冷器(4)的制冷水管穿插在内导热硅脂（10）中。该自适应脉冲加热器可按要求产生周期性变化的热信号。为加强贴合度，作为加热面的热流阀(14)下端，有外导热硅脂（15）作为涂层。

2.温度传感器（8），其特征在于：

由铂热电阻组成，并且安装在自适应脉冲加热器（2）的上游端，该处的相对动态均值与流量成正比关系。

3.控制器，其特征在于：

控制器由驱动电路(4)、处理机(6)、显示面板(5)以及A/D转换器(7)构成。仪器电源接通后，输入被测管道直径，设定加热周期（仪器提供预设值），随后开始测量，处理机(6)发送电信号给驱动电路(4)，驱动热流阀(14)、加热器(11)、水冷式制冷器(13)工作，产生周期性变化的热信号，随后温度传感器(8)测量管壁外侧，由气流影响后的温度场，并将测量数据通过A/D转换器(7)，传送给处理机(6)，最后解算流量，并在显示面板(5)上显示测量过程与计算结果。

Claims (2)

1.一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计，其特征在于：附着在管道外壁的自适应脉冲加热器(2)以周期

在加热器两侧的管道，产生按周期变化的温度场，其中k是增益系数、C是管道材料的比热容、ρ是管道材料的密度，λ是管道材料的热导率，d是管道的公称直径；测量时由处理机(6)发送加热电信号给驱动电路(4)，驱动热流阀(14)至加热工位、水冷式制冷器(13)卸载、同时线阵列式加热器(11)以管道的轴向为传热方向对管道加热；然后，处理机(6)发送制冷电信号给驱动电路(4)，切换热流阀(14)至制冷工位、同时加热器(11)卸载、水冷式制冷器(13)对管道进行冷却，此为一个循环，重复上述操作实现了按周期变化温度场的产生；以加热器上游一点为测量点，对测量点温度随时间变化的曲线做线性拟合，得到的线段定义为温度趋势，温度趋势起点的温度值定义为温度趋势基准值A_b，温度趋势终点温度值与起点的差值定义为温度趋势增加值A_a，气体流量与相对动态均值

成递增关系，其中A＝A_b+ηA_a，是考虑拟合误差的修正值，A₀为气体流量为0时的基准值；位于加热器上游段的温度传感器测量管道外壁处温度，计算出相对动态均值，根据递增关系，最后解算出对应的流量。

2.根据权利要求1中所述的一种可抗环境温度干扰的管外捆绑式热脉冲气体流量计，其特征在于：柔性机构（12）根据不同管径的管道外形，自动调节加热器的贴合面的弧度，使热流阀(14)紧密贴附在管道外壁上，保证了充分的传热。