天然气的流量监测(论文).doc
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1、天然气的流量监测 Monitoring the flow of natural gas 摘要随着全球环保实业的发展,天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为一次清洁能源,在世界一次能源结构中的比重逐年上升。发达国家一般已达到3040,因此天然气贸易计量所涉及的金额是巨大的,引起国际上的广泛重视。为了保证天然气生产及利用企业的贸易计量公正合理,维护贸易双方的正当权益,欧洲最早制订了EN1776:1998天然气测量系统基本要求,而我国起步较晚,目前这一比例还不高。我国是天然气资源较丰富的国家之一,但天然气的利用却严重滞后,天然气工业发展有着很大潜力,尤其是西气东输工程的建设,必将为我国经济
2、、社会很环境的协调发展产生强大的推动力。目前,国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量三种。工业发达国家质量计量和能量计量两种方法都在使用。我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量,目前基本上以体积计量为主。孔板流量计自动计量也是常见的方法有其独到的优势。本文主要分析了利用天然气流体的涡街运动特性,结合强度调制光纤的传感原理,和光纤的微弯损耗特性,设计了一种测量流体的天然气流量检测仪器。该仪器通过光纤频率检测系统检测流体流过涡街发生体产生的稳定涡旋发生频率f,结合“卡门涡街”理论计算出流体流量和稳定涡旋发生频率f的线性关系。并介绍了一种光纤流量计的传感
3、器结构和硬、软件部分,给出了相应的放大、滤波、整形电路原理图和软件流程图。关键字:天然气 涡街流量计 光纤 仪表系数 信号处理Abstract目录 第一章 前言1.1天然气流量检测仪器研究热点1.1.1对漩涡分离规律的研究1.1.2 对漩涡(涡街)发生体形状的研究1.1.3对涡街信号检测方法的研究1.1.4 对涡街信号的分析及处理的研究 1.2 天然气流量检测仪器的研究难点和发展趋势 1.2.1 涡街流量计的理论基础还很薄弱 1.2.2 涡街流量计应用范围的扩展 1.2.3 涡街流量计应用于质量流量的测量第二章 光纤传感器 2.1 光纤传感器的原理 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的种
4、类 2.1.3 光纤的传导原理 2.2 光线传感器的分类 2.2.1 功能型光纤传感器 2.2.2非功能型光纤传感器 2.3 光的调制方式第三章 检测电路 3.1 放大电路 3.1.1 三极管放大电路 3.1.2 放大电路工作原理 3.1.3 放大电路的主要性能指标 3.2 整形电路 3.2.1 整形电路原理 3.2.2 脉冲形成电路 3.3 电子门电路 3.4 计数器第四章 天然气流量检测器的系统设计 4.1 检测器整体设计方案 4.1.1 要求 4.1.2 方案 4.1.3 原理 4.2 器件选择 4.2.1 光电耦合器 4.2.2 CD4069 4.2.3 NE555 4.2.4 AT8
5、9C4051第五章 实验结果参考文献及致谢第一章 前言天然气流量计采用涡街原理制造,具有测量精度高、量程宽、功耗低、安装方便、操作简单、压力损失小等优点,可测量工况体积流量或标准体积流量(一体化智能温度、压力补偿),根据用户需要,可附带脉冲或420mADC电流输出功能。是目前比较理想的天然气计量仪表。涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来,深受广大用户欢迎,目前已广泛应用于石油化工、冶金、机械、轻纺、制药等工业领域中,作为管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪表。涡街流量计适用的管道口径一般在300 mm以下,测量的精确度对于液体大致在,对于气体在,重复性一般为。涡街
6、流量计不适用于测量低雷诺数()流体,一般液体平均流速下限为0.5 m /s,气体为45m /s。市场上不同公司生产的产品具有不同的特点,特别是在涡街发生体的形状设计上,各有千秋,有梯形、长方形、T形,还有多发生体等,对涡街信号的检测也有不同方法,采用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等,在涡街信号处理上为提高测量精度,也有各自独有的一些专利技术。1.1天然气流量检测仪器研究热点我国天然气计量通常以体积表示,法定单位是立方米。我国规定天然气流量测量的标准状态是:绝对压力为0.101325MPa,温度为23.15。天然气流量计量方法很多,可用的流量仪表也很多,按工作原理大致分为:差压式流
7、量计、容积式流量计、速度式流量计3种类型。在计量标准方面,目前世界上多数国家计量标准逐步向IS05167用孔板测量充满圆管的流体的流量靠拢,我国天然气计量标准也修订为SY/T61431996天然气流量的标准孔板计量方法。但由于天然气流量计量是一种间接的、多参数的、动态的、不可再现的测量,天然气的流量计量是流量测量中的难点之一。因此,在选择具体方案时,应着重考虑系统的可靠性、准确性和先进性。所以涡街流量计逐步显示了它的优势 。涡街流量计属于发展中流量计,无论在理论研究还是实际应用中,都有一些尚未解决的问题,近年来,引起了国内外广泛的关注,特别在以下几方面进行了大量研究。1.1.1 对旋涡分离规律
8、的研究涡街流量计的测量原理是基于钝体绕流现象,既当流体绕流非流线形物体(又称钝体)时,在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象,旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系,利用这一关系,通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。对钝体绕流问题的研究至今已有一百多年的历史。1912年卡门(Von Kamman)系统地研究了涡街的形成和稳定性等问题,使钝体绕流研究上升到一个新的高度。国际上对流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在20世纪50年代开始的,至今已发表了大量研究论文,得到了一系列研究成果。但是,钝体绕流现象是一种复杂的流动现象,涉及到流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等问题,
9、受到诸如流体流动工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响,虽然经过长期的研究,有了一定的进展,但其中许多基本的理论问题还是没有得到令人满意的结果,并存在着不同的观点和研究方法,特别是在高雷诺数条件下的绕流问题尚待进一步研究。所以,对流体绕流时旋涡脱落特性的研究,对于深化和发展流体力学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义。1.1.2 对旋涡(涡街)发生体形状的研究旋涡发生体是涡街流量计的关键部件,仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性都与它的几何形状、几何参数和排列方式密切相关。但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法,大多通过实验确定,目前用的比较多的是圆柱、三角柱
10、、矩形柱、梯形柱和T形柱等5种,其他形状可以由此演变而得。为了得到较好的仪表性能,近年来随着计算机技术的进步,数值仿真理论的发展,对流场特性的研究从二维拓展到三维,从低雷诺数拓展到高雷诺数,国内外科研工作者通过实验,建立更接近于实际的数学模型,来分析流体绕流后的流动特性,在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索。但迄今为止,这些研究主要还建立在实验基础上,还不能说哪一种形状堪称最佳。因此,在理论和实验上还需要进一步研究,能给出旋涡发生体形状和参数通用的设计准则。1.1.3 对涡街信号检测方法的研究流体通过旋涡发生体后,伴随旋涡的形成和分离,在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、
11、压力变化和下游尾流周期振荡。依据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主要有:热敏元件,压电元件,电容元件,应变元件等,其中以压电元件应用最为广泛。对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用。近年来光纤传感器的发展为涡街信号的检测提供了新一种方法。用光纤传感器检测涡街频率,利用光纤内光强度的变化来进行测量,这种方法能抗电磁干扰,抗环境噪声,具有电器绝缘性,但测量系统较复杂,还处在理论验证阶段。1.1.4 对涡街信号分析及处理的研究涡街流量计在本质上是流体振动型流量计,因此在工业现场使用时,管道及各种设备振动引起的干扰会降低
12、测量精度。近年来,国内外针对这一问题从涡街信号处理的角度展开了大量研究。对涡街信号的分析和处理大多是建立在二次仪表基础上,真正投人实际应用还需要深人分析流体振动源特性,建立一种通用信号模板,解决干扰情况下涡街信号和噪声信号的分离,以准确得到涡街频率1.2 天然气流量监测仪器的研究难点和发展趋势1.2.1孔板流量计自动计量 所谓自动计量,就是利用变送器实时检测天然气流量计量中所涉及到的温度、压力、压差等参数,通过计算机中的流量计算软件,实现整个流量测量环节中无人工参与的天然气流量测量。随着计量技术的发展和计算机运用的普及。实现孔板流量计自动化计量的方案较多,目前主要有以下4种模式。1. 2.1.
13、1单变量变送器+流量计算机(或工控机) 就是利用单变量模拟变送器分别检测温度、压力、差压,并将检测到的电信号转换成标准的420MA模拟信号送人流量计算机(或工控机)的数据采集卡,通过A/D转换成数字量,在流量计算机(或工控机)上通过流量计算软件计算出天然气瞬时流量、累积流量以及实现其他辅助功能。1.2.1.2多变量变送器+流量计算机(或工控机) 利用1台多变量智能变递器同时检测温度、压力、差压等,采用现场总线制,通过数字信号传输,送入流量计算机(或工控机)数据采集卡后上通过流量计算软件计算出天然气瞬时流量、累积流量及实现其他功能。1.2.1.3多变量智能变送器+工控机此方式与模式2比较,主要区
14、别是变送器内固化了流量处理软件,使得变送器可以就地显示瞬时测量参数和计算瞬时流量,并通过数字信号传输,送入工控机显示和实现其他输助功能。1.2.1.4一体化智能仪表+工控机 主要利用一体化智能仪表实现了变送器与流量计算机的一体化。不仅自带数据库可实现瞬时参数及流量的显示,以及累积流量和历史数据的再现;而且在仪表的运行方面,采取了多种电源保障方式:内电池组、太阳能和外接电源等,实现了在无电力供应情况下,可以独立自成计量系统,就地显示天然气瞬时流量、累积流量和数据的存储、再现等;正常情况下可通过现场总线和上位机连接,实行数字信号传输上传显示,也可以在工控机上实行二次数据处理,组成的计量系统更加灵活
15、、可靠。1.2.2涡街流量计的研究难点和发展趋势1.2.1 涡街流量计的理论基础还很薄弱对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的,而涡街流量计应用于封闭管道,流场具有三维不均匀性,其旋涡分离规律与均匀流场中的旋涡分离不完全相同,对涡街流量计的测量不确定度进行了分析,证实斯特罗哈尔数St和雷诺数Re在很大范围内是非线性关系,与管道内流场的三维不均匀性有关,这对涡街流量计的测量精度产生很大影响。因此需要流体力学工作者从流量计应用角度对旋涡脱落的流体振动规律进行深人研究,为涡街流量计设计提供理论依据。1.2.2 涡街流量计应用范围的扩展涡街流量计的应用由于雷诺数的限制,在高粘度、低流速和小
16、口径情况下难以正确测量,量程受限。这需要在旋涡发生体形状,传感器结构方面作优化设计,以适应不同的测量要求。目前由于涡街频率测量元件的限制,涡街流量计可正常测量的温度、压力和管道口径有一定要求。如测量的温度范围为200oC400 oC,最高可承受压力为15 MPa,可测量管径的范围为12.5- 300mm,随着新的频率检测技术和新的传感技术的不断涌现,为涡街流量计的工作范围的扩展提供了可能。1.2.3 涡街流量计应用于质量流量的测量涡街流量计现在大多用于体积流量的测量。随着能源计量和管理的加强,工业过程自控系统的发展,对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测量上,很多场合如工业生产中各种原料的配
17、比或品质的控制、物料输送、能源输送、贸易结算等往往都需要知道质量流量。质量流量测量是目前流量测量中的重点也是难点问题,从传统的体积流量计,经过改进、完善与提高,发展成质量流量计,是质量流量测量技术发展的一个重要方面,也是当前研究的一个热点问题。国内外科研工作者都已提出将涡街流量计用于测量质量流量的方法,但在传感器结构,测量精度等方面还需要进一步完善。第二章 光纤传感器光导纤维是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电子材料,光纤的最初研究是为了通信,它用于传感器始于1977年。由于光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰。耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点,广泛用于各种物理量的测量,
18、发展极为迅速。2.1 光纤传感器的原理光纤传感器主要由光源、传导光纤与光电探测器三个部分组成。 光源发射的光通过光学器件耦合到传导光纤中,经过传导光纤进入调制区,外界的被测参数作用在经过调制区的光信号,并使其光学性质发生变化,例如使光的强度、频率、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光,再经过传导光纤送入光电探测器,并从中获得需要的被测参数的电信号。如图2-1所示为光纤传感器的原理示意图。图21 光纤传感器的原理2.1.1 光纤的结构光纤是光纤传感器的重要组成部分,光纤由纤芯、包层和缓冲涂敷层、套层四个部分组成。纤芯是光纤传导光信号的部分。包层即包裹纤芯的外围部分,和纤芯具有不同的折射率(包
19、层的折射率小于纤芯的折射率),纤芯和包层之间拥有良好的光学界面。缓冲涂敷层的作用是增加光纤的力学强度,保护光纤不受外力的伤害。光纤的最外层为套层,一般是由塑料管做成,与缓冲涂敷层作用一样都是起保护作用的,不同颜色的塑料管还可以用来区分光纤的种类。2.1.2 光纤的种类从构成光纤的材料看,有玻璃光纤和塑料光纤两大类,从性能和可靠性考虑,当前大都采用玻璃光纤。光纤按其传输模式分为单模光纤和多模光纤。单模光纤和多模光纤在结构上有不同之处。一般的纤芯的直径只有传输光波波长几倍的光纤是单模光纤。纤芯的直径比光波波长大很多倍的是多模光纤。两者的断面结构有明显的不同。多模光纤的断面是纤芯粗、包层薄,制造、连
20、接容易;单模光纤是纤芯细、包层厚,传输性能好,但制造、连接困难。2.1.3 光纤的传导原理光的全反射理论是光在光纤中传导应用的主要原理。如图2-2所示,光纤由折射率为n1稍高的纤芯和折射率n2稍低的包层构成,周围介质折射率为n2,入射光线与光线轴线之间的夹角称为光线端面入射角;光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上,形成包层界面入射角。如果要使光完全的约束在纤芯内传导,则应该使光线在纤芯包层的光学界面上的入射角大于等于临界角0,即: (11)相对于临界角0,反映的是光纤聚光能力的大小,被称为孔径角。光在周围介质与纤芯的光学界面上发生全反射的条件为: (12)当入射角满足这个几何条件时,光就
21、能在纤芯内部以同样的角度反复反射,直到传导到光纤的另一个终端。如果光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光就仍然可以继续传导下去,直到终端。图22 光纤的传导原理2.2 光纤传感器的分类光纤传感器可分为功能型(传感型)和非功能型(传光型)两个大类。前者多数使用单模光纤,后者常使用多模光纤。2.2.1 功能型光纤传感器功能型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下,使其某些光学特性发生变化,对输入的光产生某种调制作用,使在光纤内传输的光的图23 功
22、能型光纤传感器强度、相位、偏振态等特性发生变化,从而实现传和感的功能。因此,传感器中的光纤是连续的。基于这样的原理做成的光纤流量计有光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计等。2.2.2 非功能型光纤传感器在非功能型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。非功能型光纤传感器主要利用已有的其它敏感材料,作为其敏感元件,这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤,所以用通信光纤甚至普通
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