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文檔簡介

1、熱擴散式質(zhì)量流量計精度的進步newmaker熱式傳感技術(shù)的進步自從熱電偶技術(shù)和早期的熱線式風(fēng)速計產(chǎn)生之后,熱式流量丈量技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步。熱式技術(shù)以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ),一般是根據(jù)兩個溫度傳感器間的溫差產(chǎn)生一個直接與溫差和質(zhì)量流量成比例的信號。很久以來,熱式流量傳感器在很多行業(yè)中得以應(yīng)用,并滿足了一些特殊的要求。現(xiàn)代化的熱式流量傳感器在設(shè)計上已由實驗室設(shè)備進化為了牢固的過程設(shè)備,每一代新產(chǎn)品都在傳感器性能方面有突破性的進步。早期的熱式產(chǎn)品設(shè)計者們在維持生產(chǎn)公差、溫度跟蹤及符合產(chǎn)業(yè)封裝標準方面經(jīng)歷了很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使得設(shè)計者們采用更牢固、生產(chǎn)上更具備一致性的熱電阻(RTD)?;跓犭娮璧牧髁總鞲衅?/p>

2、很快被分類,并與早期的溫差設(shè)備相關(guān)聯(lián),并且成為了熱式流量傳感器家族的一部分。隨著RTD的改進,生產(chǎn)商們更向傾于采用鉑纏繞低質(zhì)量型設(shè)計。隨著時間的推移,生產(chǎn)技術(shù)向更小公差的方向演變,從而使得兩個RTD的配對成為了控制上越來越嚴格的過程。由于大部分現(xiàn)代化的熱式設(shè)計是基于兩個RTD之間的差值,因此RTD在構(gòu)造上一定要一致。早期,F(xiàn)CI和其他一些廠家意識到了這一點,并且FCI設(shè)計出了第一個等質(zhì)量傳感器構(gòu)造。這種傳感器設(shè)計確保了傳感元件在追蹤過程變化的時候可以保持一貫性。等質(zhì)量設(shè)計是一種突破性的進展,大大拓寬了熱式傳感原理的使用范圍,使之在多種過程應(yīng)用中有了用武之地。隨著制造技術(shù)、填充方法、熱道時效及材

3、料優(yōu)化等方面的進步,產(chǎn)品的性能也有了逐步的進步。如今,F(xiàn)CI及其他采用最新RTD生產(chǎn)技術(shù)的公司,通過使用平版印刷蝕刻芯片RTD,真正避免了RTD間的生產(chǎn)公差,使得RTD的調(diào)整成為簡單、可復(fù)制的步驟。因此,可以用極低的本錢生產(chǎn)出高質(zhì)量、易配對的RTD。這一進步直接推動了熱式技術(shù)向更高性能更低本錢的方向發(fā)展。 微處理器推動性能的進步當熱式傳感技術(shù)在一致性和穩(wěn)定性方面不斷發(fā)展時,信號處理及硬件方面也有了突破性進展。FCI在標定數(shù)據(jù)收集和信號處理方面取得了進展,并且通過先進的曲線擬合演算法逐步進步了產(chǎn)品性能。下圖展示了FCI突破性的曲線擬合方法,這種方法進步了產(chǎn)品性能和精度。從圖1的常見誤差差頻寬可以

4、看出傳統(tǒng)型產(chǎn)品的局限性。而采用D2P曲線擬合方法的FCI的熱式質(zhì)量流量計,與傳統(tǒng)型產(chǎn)品形成了鮮明對比。近年來,誤差和不確定性縮減有了重大進展,使FCI產(chǎn)品在保持1001量程比的條件下,達到了0.5%的標定精度。 圖1 FCI的D2P曲線擬合方法帶來的性能進步標定方法及NIST可溯源設(shè)備填補了空缺傳感及信號處理上的發(fā)展對標定程序和方法提出了更高要求。為了使熱式流量儀表真正成為高端產(chǎn)品并滿足用戶現(xiàn)場工況,制造商必須將產(chǎn)品的改進與合格、高精度的標定相結(jié)合。這意味著,要么必須將產(chǎn)品送往專業(yè)的流量標定實驗室進行標定,或者斥巨資自行搭建標定設(shè)備。FCI公司擁有自行投資興建的,具備研發(fā)和產(chǎn)品標定雙重功能的標

5、定實驗室,可以對包括惰性氣體和危險氣體以及液體在內(nèi)的多種介質(zhì)在很寬的量程范圍內(nèi)進行標定。由于冷卻率與介質(zhì)熱物理特性(如粘度、密度、比熱、熱導(dǎo)性及熱膨脹系數(shù)等)呈函數(shù)關(guān)系,對熱式傳感技術(shù)的優(yōu)化需要擁有流體方面豐富的經(jīng)驗。隨著新的模型和等式推導(dǎo)方法的出現(xiàn),使用參照氣體進行標定已經(jīng)可以達到23%的讀數(shù)精度,然而有一點相當明確,要實現(xiàn)最佳性能必須使用實際氣體或?qū)嶋H液體進行標定。象FCI這樣擁有完善的標定實驗室的公司,可以在實際液體介質(zhì)(如水或果汁、碳氫化合物及冷卻劑)中進行標定;同時,也可以在各種氣體介質(zhì)(從惰性氣體到危險混合氣、低密度氣體如氫氣和氦氣等)中進行標定。符合實際介質(zhì)的標定、自動數(shù)收集及高

6、精度的流量參照標準(如音速噴嘴、超聲波多普勒和科里奧力流量計等)造就了好于0.5%讀數(shù)的精度。圖2所示為FCI的氣體音速噴嘴和混合氣標定臺。 圖2 FCI標定實驗室的混合氣和音速噴嘴標定臺將實驗室結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場將實驗室標定結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場的安裝位置對所有的流量丈量原理來說都是個挑戰(zhàn)。直管段、實際安裝、流層、過渡流形、紊流強度、漩渦、脈動及寬量程范圍等過程條件是所有流量丈量原理共同的困難。熱式原理是18”管線到30英尺管道上經(jīng)濟、精確的流量丈量選擇。使用熱式原理并且選擇正確的型號對于達到最高的現(xiàn)場安裝精度很關(guān)鍵。對于2”及2”以下管徑的應(yīng)用,大部分熱式產(chǎn)品制造商提供“在線式”構(gòu)造,提供一截固定著傳

7、感頭的管段,這樣的構(gòu)造避免了固定、偏移、施轉(zhuǎn)或插件進長度導(dǎo)致的誤差。同時,很多“插進式”產(chǎn)品也通過改進安裝方式避免或大幅降低了安裝變量的影響。位置鎖定或鍵盤編碼式插進、多傳感裝置、深度標尺、方位標記等方法確保了插進式流量元件的安裝,適用于4”到幾米管徑。流體調(diào)整拓寬了安裝位置的選擇范圍流體調(diào)整被很多流量丈量原理所采用以進一步完善丈量。調(diào)整器提供出色的隔離、漩渦消減,并且真正做到了無壓損。這種流體調(diào)整方法神奇地拓寬點式流量丈量原理的應(yīng)用范圍。例如熱式丈量原理,推薦安裝條件為上游20倍管徑下游10倍管徑的直管段。而采用了嵌進式的流體調(diào)整器后,熱式質(zhì)量流量計只需要上下游一共7倍管徑的直管段即可達到標

8、稱精度。 過程條件的影響及多點式丈量熱式流量丈量原理實際上利用了溫度傳感。大部分的熱式流量設(shè)備制造商生產(chǎn)的流量元件中包含一個參照傳感器,與溫差丈量相結(jié)合,或獨立丈量過程溫度的實時變化。由于熱式設(shè)備是直接丈量質(zhì)量流量的設(shè)備,而過程溫度的變化會直接影響到質(zhì)量流量,熱式設(shè)備在設(shè)計上可以自動修正過程溫度變化帶來的影響。等質(zhì)量流量傳感器設(shè)計確保了變化無滯后效應(yīng),因此可以提供實時的溫度補償。正由于如此,大部分熱式流量計天生多變量,并且可以提供過程溫度輸出。另外,熱式設(shè)備幾乎不受壓力變化的影響,除非丈量的是極低流量(低于0.25英尺秒),由于自然對流現(xiàn)象可能在插進式傳感構(gòu)造上產(chǎn)生熱度上升的流量效應(yīng)。利用低功

9、率分界層傳感,包括FCI在內(nèi)的一些公司開發(fā)出了非插進式設(shè)計,將低流量和高流速傳感提升到了一個新的高度。在極低流量應(yīng)用中,大部分制造商的產(chǎn)品規(guī)格或軟件選擇限制了插進式構(gòu)造的使用。在正常工程流量范圍下,排除壓力影響的獨立研究顯示,未經(jīng)校正的熱式質(zhì)量流量計每100PSI的壓力波動可能導(dǎo)至12%的讀數(shù)漂移。熱式傳感原理,無論是恒溫差式還是恒功率式,都同樣受到影響。圖3所示為FCI流量計在典型的壓力波動范圍內(nèi)的性能曲線圖,壓力影響對精度的影響被控制在1%以內(nèi)。 圖3 典型性能曲線顯示壓力波動對精度影響1%熱式產(chǎn)品制造商監(jiān)測到,大幅度的過程壓力波動會由于氣體特性的變動而對丈量精度產(chǎn)生更大影響。對于這類特別的應(yīng)用,F(xiàn)CI推出了專利產(chǎn)品內(nèi)置壓力傳感及校正的熱式質(zhì)量流量傳感器。在大部分采用熱擴散原理產(chǎn)品的普通過程控制應(yīng)用中,無需用到這種特殊構(gòu)造的產(chǎn)品。然而,在諸如自然氣傳輸這類存在大幅度壓力波動的密閉傳輸裝置應(yīng)用中,就需要采用這種特殊構(gòu)造,使熱式原理的產(chǎn)品達到應(yīng)用的精度要求。總而言之,突破性的傳

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