天然气计量技术——传感器

  • 2017-11-07 09:09:42
  • 辽宁思凯
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天然气计量每提升0.1%准确度,就能减少1.8亿立方米的天然气损失,带来巨大的经济效益。

天然气是压缩流体,每立方燃气包含的能量取决于气体的压力和温度,压力和温度的不同,天然气燃烧的能量也不同。而且不同地点天然气的化学组成可能明显不同。一般来说,在从地下开采出来到使用的过程中,天然气的主要成分是甲烷,再加上其他气体形式的杂质。1千克纯甲烷燃烧后释放大约55.5MJ的能量。但如果气体中含有其它可燃物质(例如乙烷、丙烷、丁烷),能量密度则更大。这是因为高阶碳化合物燃烧时释放的化学能量比低阶化合物高。但如果燃气中含有惰性气体(例如二氧化碳或氮气),能量密度(即气体燃烧时释放的热量)将降低。燃气公司对配送中的天然气质量进行持续监测,以确定混合物的准确化学成分。实际上,考虑到产品的热量变化,有些燃气公司对天然气耗量应用一个“热量因子”。

目前天然气计量的局限性

目前部署的大多数燃气表为隔膜或膜盒式正排量流量计。通过燃气表的气流驱动流量计的配件。膜盒每次扩张和收缩时,将一定量的气体传递到输出端口。膜盒的运动驱动机械连接,将一组阀门打开和关闭,将气体推动到相应的计量室。驱动阀门的相同机构也驱动机械式计数器,所以就知道准确的循环次数,进而推算出气体的准确体积。

膜盒式流量计的应用已经超过一个世纪,使用寿命可达数十年,但也存在局限性:纯机械结构,不能通信;如果没有较大的外部硬件投资,机械式流量计不能将其测量值传送到远端读取;同时难以进行温度补偿;并且,由于全部采用机械装置,容易磨损。

电子式燃气表

尽管有多种替代技术可代替膜盒式流量计,但是有两种电子式设计整合了燃气表实际部署所需的精度、经济性和长期稳定性。第一种燃气表使用加热元件和机构,用于测量运动介质中的热对流;第二种利用声波在运动介质中的传播特性。

这两种方法都使用采样法,而非正排量法。这些技术定期测量介质的流速,从而推导出介质的体积或流速。这类流量计必须假设采样间隔期间的流速是恒定的——如果采样率足够高,则假设比较合理。但高采样率又带来了另一个问题:电池寿命。

膜盒式流量计直接利用被测气体的运动进行工作。而电子式流量计则需要电源才能工作,该电源由电池提供。流量计每次采样都消耗少量的电池电量。测量气体流速的频率越高,电池电量消耗的就越快。

利用温度传感器测量流量要求热源,以及确定热量在运动介质中如何流动的方式。目前有两种常用的基于温度的传感器:基于热敏电阻的自热式传感器和基于热电堆的独立加热传感器。

热敏电阻设计——通过热流测量气流

基于热敏电阻的流量计使用一对经过校准的正温度系数(PTC)热敏电阻,其中一个热敏电阻通过其电阻变化表示温度变化。对于PTC热敏电阻,电阻值随温度升高而增大。通过热敏电阻的电流足够高时,电阻开始发热,阻值增大并限制电流。

为了测量流速,在流动介质中安装两个热敏电阻。其中一个热敏电阻测量介质的温度,同时使另一个热敏电阻中通过足够高的电流,使其温度升高并比介质温度高出一定值。在静态气体中,高温热敏电阻将通过辐射和对流的形式散发热量(对热敏电阻周围的空气加热)。为热敏电阻加热的电能与通过辐射和对流散发的热量严格平衡,因此热敏电阻的温度是稳定的。

当气体流动时,热敏电阻散热中的对流分量增大,热敏电阻温度降低。驱动电路检测电流变化(即当热阻变冷时,对电流呈现较低阻值),并增大热敏电阻的电压,以维持参考热敏电阻和测量热敏电阻之间的温差恒定。将热敏电阻与参考热敏电阻之间的温差维持在固定温度所需的电压是温度的单调函数。因此,只需知道气体的温度和施加至高温热敏电阻上的电压,系统即可计算出流量。

热电传感器设计——能效更高

基于热电堆的独立加热传感器。加热器和两个热电堆传感器安装在一片采用微机电技术(MEMS)的硅片上。在这些系统中,微小元件对两个或更多温度传感器周围的气体进行加热。静态气体中,传感器测得温度相同。但如果气体运动,位于加热器下游的传感器测得的温度高于加热器上游传感器测得的温度。这是因为介质流动时变得越来越热,被加热的气体流向下游传感器、远离上游传感器。

人们的第一印象可能会认为这种系统也与基于热敏电阻的燃气表一样,存在相同的电池问题。但情况并非如此。因为MEMS结构非常小,加热元件几乎能够瞬态打开,对气体进行加热。所以不需要连续工作——加热器根据需要打开并关闭,进行采样测量。

超声流量计的出现

超声流量计根据气流同方向脉冲与气流反方向脉冲的传播时间差,即可确定气流的流速。不同于热电设计,其在单点不对气流进行采样,而是向大部分介质发送气压波,提供更高精度的流速指示。尽管大多数设计在管道内部安装变送器,但如果需要,也可将变送器安装在管道外部。这种配置下,管道内部就没有影响气体流动的东西。

替代方案设计的优点和缺点

MEMS热电式流量传感器和超声流量传感器是最常提及的住宅燃气表替代方案。那么与传统的膜盒式燃气表相比,这些流量计性能如何?两者互比结果如何呢?

功耗管理

采样式燃气表则没有随时可供使用的能源来驱动其测量逻辑电路,而是由电池供电。公共仪表通常要求在最少维护的情况下工作10到20年。这就意味着您要么使用大容量电池,要么将功耗降至最低。

例如,合理容量的锂亚硫电池(C规格电池)在3.6V下可提供8.5Ah的容量。对于这样一块电池,若要工作20年,燃气表消耗的平均电流就不得超过大约50µA。这一要求合理吗?

估算采样式燃气表的功耗时需要考虑三个因素:工作电流(即燃气表实际测量时消耗的电池电流)、待机电流(即燃气表在测量间隔期间消耗的电池电流)和采样率。设计用于驱动超声变送器进行TOF测量的芯片和MEMS流量测量器件的待机电流均为亚微安级,可以假设其采样率相当。那么就剩下工作电流是唯一的差异化因素。

基于MEMS的热电式流量传感器在工作时需要大约1mA电流,并且必须保持工作70ms至100ms,取决于流速。最常引用的平均耗流为70µA...这是在考虑监控微控制器之前。仅仅测量,每秒采样就消耗大约70µA。

超声TOF流量传感器的功耗一般较低。工作电流较大(测量时大约为4.5mA,计算阶段大约2.5mA)。但在发送命令后,只需短短几毫秒即可完成。假设时间周期为5ms,平均电流为5mA,那么超声流量传感器的总功耗大约为每秒采样25µA。

补偿和气体定律

公共事业单位在向最终用户定价时,一般以每100标准立方英尺(SCCF)的燃气为单位。1标准立方英尺指的是60°F以及1个大气压下的1立方英尺燃气。不同温度或压力下的1立方英尺燃气将包含不同质量的燃气,因此燃料量不同。所以,如果供气时的温度或压力不是60°F和1个大气压,则必须包含补偿因子,将测量值转换为标准立方英尺。

目标是计量交付的能量,排除其他因素。提供的能量取决于燃气质量和燃气的成分。但大多数燃气表测量的是提供的燃气体积而不是质量。任何气体的质量、体积、温度和压力之间的关系符合气体定律。波义耳定律描述恒定温度下气体压力和体积的关系;查理定律描述恒定压力下气体体积和温度的关系;盖-吕萨克定律描述恒定体积下气体压力和温度的关系;阿伏伽德罗定律指出,在恒定温度和压力下,气体的摩尔数与体积成比例。

所以必须调节进入燃气表的压力。如果允许压力变化,就不可能仅仅凭靠体积确定气体质量。无论调节器的输入压力如何,从调节器输出至燃气表的压力被固定在大约0.25psig。通过周密调节燃气表的压力,就能避免压力变化造成所提供能量的任何波动。

但是温度呢?这正是热电式流量传感器和TOF流量传感器的另一差异。

热电式流量传感器为质量流量传感器,既不是体积流量计(如膜盒式流量计)也不是流速传感器(如超声流量计)。热电式流量传感器检测从加热器流向热电堆的热量,并且该热量随气体流速和密度而增大。然而,超声流量计仅测量声波的传输介质的速度,以声波在气体中的速度为基准。

所以,热电式流量计在本质上对温度进行了补偿,因为它测量的是质量流量,而非体积流量。超声流量计必须测量气体的温度,并应用气体定律,将实际立方英尺转换为标准立体英尺。

还有一个补偿因子必须考虑:气体的组成。只要被测气体与纯甲烷差异不太大,声波速度(进而超声流量计的精度)将保持恒定,波动非常微小。如果气体成分发生变化,气体的能量含量将变化,燃气公司每月对供气进行分析,从而考虑该因素。

由于热电式流量传感器测量质量流量,对于燃气杂质,热电式流量传感器的测量值将大于超声传感器的测量值。所以,两种类型传感器的补偿因子将不同。

寻求更经济、更高精度和设计灵活的燃气表,目前有两种好的替代方案可取代传统的膜盒式燃气表:热电式和超声流量检测技术。由于热电式传感器自带阀芯体,所以使用热电式传感器时,设计最快、最简单。但使用超声检测技术,可实现精度最高、功耗最低的设计。

 

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