天然氣計量技術——傳感器

  • 2017-11-07 09:09:42
  • 遼寧思凱
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星际争霸2视频 www.ezpzo.icu 天然氣計量每提升0.1%準確度,就能減少1.8億立方米的天然氣損失,帶來巨大的經濟效益。

天然氣是壓縮流體,每立方燃氣包含的能量取決于氣體的壓力和溫度,壓力和溫度的不同,天然氣燃燒的能量也不同。而且不同地點天然氣的化學組成可能明顯不同。一般來說,在從地下開采出來到使用的過程中,天然氣的主要成分是甲烷,再加上其他氣體形式的雜質。1千克純甲烷燃燒后釋放大約55.5MJ的能量。但如果氣體中含有其它可燃物質(例如乙烷、丙烷、丁烷),能量密度則更大。這是因為高階碳化合物燃燒時釋放的化學能量比低階化合物高。但如果燃氣中含有惰性氣體(例如二氧化碳或氮氣),能量密度(即氣體燃燒時釋放的熱量)將降低。燃氣公司對配送中的天然氣質量進行持續監測,以確定混合物的準確化學成分。實際上,考慮到產品的熱量變化,有些燃氣公司對天然氣耗量應用一個“熱量因子”。

目前天然氣計量的局限性

目前部署的大多數燃氣表為隔膜或膜盒式正排量流量計。通過燃氣表的氣流驅動流量計的配件。膜盒每次擴張和收縮時,將一定量的氣體傳遞到輸出端口。膜盒的運動驅動機械連接,將一組閥門打開和關閉,將氣體推動到相應的計量室。驅動閥門的相同機構也驅動機械式計數器,所以就知道準確的循環次數,進而推算出氣體的準確體積。

膜盒式流量計的應用已經超過一個世紀,使用壽命可達數十年,但也存在局限性:純機械結構,不能通信;如果沒有較大的外部硬件投資,機械式流量計不能將其測量值傳送到遠端讀??;同時難以進行溫度補償;并且,由于全部采用機械裝置,容易磨損。

電子式燃氣表

盡管有多種替代技術可代替膜盒式流量計,但是有兩種電子式設計整合了燃氣表實際部署所需的精度、經濟性和長期穩定性。第一種燃氣表使用加熱元件和機構,用于測量運動介質中的熱對流;第二種利用聲波在運動介質中的傳播特性。

這兩種方法都使用采樣法,而非正排量法。這些技術定期測量介質的流速,從而推導出介質的體積或流速。這類流量計必須假設采樣間隔期間的流速是恒定的——如果采樣率足夠高,則假設比較合理。但高采樣率又帶來了另一個問題:電池壽命。

膜盒式流量計直接利用被測氣體的運動進行工作。而電子式流量計則需要電源才能工作,該電源由電池提供。流量計每次采樣都消耗少量的電池電量。測量氣體流速的頻率越高,電池電量消耗的就越快。

利用溫度傳感器測量流量要求熱源,以及確定熱量在運動介質中如何流動的方式。目前有兩種常用的基于溫度的傳感器:基于熱敏電阻的自熱式傳感器和基于熱電堆的獨立加熱傳感器。

熱敏電阻設計——通過熱流測量氣流

基于熱敏電阻的流量計使用一對經過校準的正溫度系數(PTC)熱敏電阻,其中一個熱敏電阻通過其電阻變化表示溫度變化。對于PTC熱敏電阻,電阻值隨溫度升高而增大。通過熱敏電阻的電流足夠高時,電阻開始發熱,阻值增大并限制電流。

為了測量流速,在流動介質中安裝兩個熱敏電阻。其中一個熱敏電阻測量介質的溫度,同時使另一個熱敏電阻中通過足夠高的電流,使其溫度升高并比介質溫度高出一定值。在靜態氣體中,高溫熱敏電阻將通過輻射和對流的形式散發熱量(對熱敏電阻周圍的空氣加熱)。為熱敏電阻加熱的電能與通過輻射和對流散發的熱量嚴格平衡,因此熱敏電阻的溫度是穩定的。

當氣體流動時,熱敏電阻散熱中的對流分量增大,熱敏電阻溫度降低。驅動電路檢測電流變化(即當熱阻變冷時,對電流呈現較低阻值),并增大熱敏電阻的電壓,以維持參考熱敏電阻和測量熱敏電阻之間的溫差恒定。將熱敏電阻與參考熱敏電阻之間的溫差維持在固定溫度所需的電壓是溫度的單調函數。因此,只需知道氣體的溫度和施加至高溫熱敏電阻上的電壓,系統即可計算出流量。

熱電傳感器設計——能效更高

基于熱電堆的獨立加熱傳感器。加熱器和兩個熱電堆傳感器安裝在一片采用微機電技術(MEMS)的硅片上。在這些系統中,微小元件對兩個或更多溫度傳感器周圍的氣體進行加熱。靜態氣體中,傳感器測得溫度相同。但如果氣體運動,位于加熱器下游的傳感器測得的溫度高于加熱器上游傳感器測得的溫度。這是因為介質流動時變得越來越熱,被加熱的氣體流向下游傳感器、遠離上游傳感器。

人們的第一印象可能會認為這種系統也與基于熱敏電阻的燃氣表一樣,存在相同的電池問題。但情況并非如此。因為MEMS結構非常小,加熱元件幾乎能夠瞬態打開,對氣體進行加熱。所以不需要連續工作——加熱器根據需要打開并關閉,進行采樣測量。

超聲流量計的出現

超聲流量計根據氣流同方向脈沖與氣流反方向脈沖的傳播時間差,即可確定氣流的流速。不同于熱電設計,其在單點不對氣流進行采樣,而是向大部分介質發送氣壓波,提供更高精度的流速指示。盡管大多數設計在管道內部安裝變送器,但如果需要,也可將變送器安裝在管道外部。這種配置下,管道內部就沒有影響氣體流動的東西。

替代方案設計的優點和缺點

MEMS熱電式流量傳感器和超聲流量傳感器是最常提及的住宅燃氣表替代方案。那么與傳統的膜盒式燃氣表相比,這些流量計性能如何?兩者互比結果如何呢?

功耗管理

采樣式燃氣表則沒有隨時可供使用的能源來驅動其測量邏輯電路,而是由電池供電。公共儀表通常要求在最少維護的情況下工作10到20年。這就意味著您要么使用大容量電池,要么將功耗降至最低。

例如,合理容量的鋰亞硫電池(C規格電池)在3.6V下可提供8.5Ah的容量。對于這樣一塊電池,若要工作20年,燃氣表消耗的平均電流就不得超過大約50μA。這一要求合理嗎?

估算采樣式燃氣表的功耗時需要考慮三個因素:工作電流(即燃氣表實際測量時消耗的電池電流)、待機電流(即燃氣表在測量間隔期間消耗的電池電流)和采樣率。設計用于驅動超聲變送器進行TOF測量的芯片和MEMS流量測量器件的待機電流均為亞微安級,可以假設其采樣率相當。那么就剩下工作電流是唯一的差異化因素。

基于MEMS的熱電式流量傳感器在工作時需要大約1mA電流,并且必須保持工作70ms至100ms,取決于流速。最常引用的平均耗流為70μA...這是在考慮監控微控制器之前。僅僅測量,每秒采樣就消耗大約70μA。

超聲TOF流量傳感器的功耗一般較低。工作電流較大(測量時大約為4.5mA,計算階段大約2.5mA)。但在發送命令后,只需短短幾毫秒即可完成。假設時間周期為5ms,平均電流為5mA,那么超聲流量傳感器的總功耗大約為每秒采樣25μA。

補償和氣體定律

公共事業單位在向最終用戶定價時,一般以每100標準立方英尺(SCCF)的燃氣為單位。1標準立方英尺指的是60°F以及1個大氣壓下的1立方英尺燃氣。不同溫度或壓力下的1立方英尺燃氣將包含不同質量的燃氣,因此燃料量不同。所以,如果供氣時的溫度或壓力不是60°F和1個大氣壓,則必須包含補償因子,將測量值轉換為標準立方英尺。

目標是計量交付的能量,排除其他因素。提供的能量取決于燃氣質量和燃氣的成分。但大多數燃氣表測量的是提供的燃氣體積而不是質量。任何氣體的質量、體積、溫度和壓力之間的關系符合氣體定律。波義耳定律描述恒定溫度下氣體壓力和體積的關系;查理定律描述恒定壓力下氣體體積和溫度的關系;蓋-呂薩克定律描述恒定體積下氣體壓力和溫度的關系;阿伏伽德羅定律指出,在恒定溫度和壓力下,氣體的摩爾數與體積成比例。

所以必須調節進入燃氣表的壓力。如果允許壓力變化,就不可能僅僅憑靠體積確定氣體質量。無論調節器的輸入壓力如何,從調節器輸出至燃氣表的壓力被固定在大約0.25psig。通過周密調節燃氣表的壓力,就能避免壓力變化造成所提供能量的任何波動。

但是溫度呢?這正是熱電式流量傳感器和TOF流量傳感器的另一差異。

熱電式流量傳感器為質量流量傳感器,既不是體積流量計(如膜盒式流量計)也不是流速傳感器(如超聲流量計)。熱電式流量傳感器檢測從加熱器流向熱電堆的熱量,并且該熱量隨氣體流速和密度而增大。然而,超聲流量計僅測量聲波的傳輸介質的速度,以聲波在氣體中的速度為基準。

所以,熱電式流量計在本質上對溫度進行了補償,因為它測量的是質量流量,而非體積流量。超聲流量計必須測量氣體的溫度,并應用氣體定律,將實際立方英尺轉換為標準立體英尺。

還有一個補償因子必須考慮:氣體的組成。只要被測氣體與純甲烷差異不太大,聲波速度(進而超聲流量計的精度)將保持恒定,波動非常微小。如果氣體成分發生變化,氣體的能量含量將變化,燃氣公司每月對供氣進行分析,從而考慮該因素。

由于熱電式流量傳感器測量質量流量,對于燃氣雜質,熱電式流量傳感器的測量值將大于超聲傳感器的測量值。所以,兩種類型傳感器的補償因子將不同。

尋求更經濟、更高精度和設計靈活的燃氣表,目前有兩種好的替代方案可取代傳統的膜盒式燃氣表:熱電式和超聲流量檢測技術。由于熱電式傳感器自帶閥芯體,所以使用熱電式傳感器時,設計最快、最簡單。但使用超聲檢測技術,可實現精度最高、功耗最低的設計。

 

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