CN110186515B - 一种蒸汽计量装置 - Google Patents
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Abstract
一种蒸汽计量装置属于流量的测量技术领域，尤其涉及一种蒸汽计量装置。本发明提供一种可对管道内流动湿蒸汽的温度、压力、干度和流量进行监测的蒸汽计量装置。本发明包括压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器和在线显示仪表，其结构要点压力传感器安装在流量测量传感器上游，压力传感器信号线与在线显示仪表连接；流量传感器安装在湿蒸汽干度传感器上游，流量测量传感器通过流量传感器信号线与在线显示仪表连接。
Description
技术领域
本发明属于流量的测量技术领域，尤其涉及一种蒸汽计量装置。
背景技术
水蒸汽广泛应用于石油、化工、核电等热动力工程领域，是重要的传输能量介质。流动湿蒸汽是工业水蒸气普遍存在的形式，是一种特殊的气液两相流，流动机理复杂。湿蒸汽的计量一直受到工业现场的重视。现有湿蒸汽计量大多针对注汽锅炉出口处湿蒸汽干度进行检测，并且多数计量装置只能单一监测湿蒸汽的干度、温度或者流量中的某一种参数。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种可对管道内流动湿蒸汽的温度、压力、干度和流量进行监测的蒸汽计量装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器和在线显示仪表，其结构要点压力传感器安装在流量测量传感器上游，压力传感器信号线与在线显示仪表连接；
流量传感器安装在湿蒸汽干度传感器上游，流量测量传感器通过流量传感器信号线与在线显示仪表连接。
作一种优选方案，本发明所述干度传感器包括内管体、外管体和平行板电极电容传感器，温度传感器设置在内管体内，外管体前后端通过连接法兰固定在被测湿蒸汽管道上；
接地电极与干度传感器的外管体相连为电容传感器的一个极板，测量极导线与干度传感器的内管体相连为电容传感器的另一个极板；接地电极与大地相连，测量极导线与测量电路相连。
作为另一种优选方案，本发明所述外管体内壁具有向中部延伸的第一平行板电极，外管体外壁具有向外侧延伸的与第一平行板电极相对应的第二平行板电极。
作为另一种优选方案，本发明所述平行板电极的组合为多个沿管体周向均布。
作为另一种优选方案，本发明所述内管体与外管体由定位绝缘板连接固定。
作为另一种优选方案，本发明所述外管体上设置有引流孔。
作为另一种优选方案，本发明所述测量电路包括TLV2372ID芯片U1，U1的7脚分别与BAT54S管D2的3脚、U1的6脚相连，D2的1脚分别与电容C1一端、BAT54S管D1的2脚相连，电容C1另一端接测量极导线，接地电极通过电容C5接地；
D1的1脚分别与电容C0一端、D2的2脚相连，电容C0另一端接地；
D1的3脚分别与U1的5脚、U1的2脚、电阻R3一端相连，电阻R3另一端分别与电阻R5一端、U1的1脚相连，电阻R5另一端分别与电阻R6一端、U1的3脚相连，电阻R6另一端接地。
作为另一种优选方案，本发明充电时，电路通过R3和两个极板之间的电容Cx、C1、C5进行充电，充电电压由-VA1/2升到VA1/2，根据RC充电公式：
式中：Vt1为任意时刻t1充电电容上的电压值；
E为电容充满电和初始时刻的差值；
放电时，电路通过R3和C0放电，放电电压由VA1/2降到-VA1/2，根据RC放电公式：
式中：Vt2为任意时刻t2放电电容C0上的电压值；
E为电容初始时刻和放完电时的电压差值；
两式相比得出t1/t2和Cx/C0的关系，由t1、t2可以测得，C0已知，得出Cx的电容值。
作为另一种优选方案，本发明所述线显示仪表包括信号处理部分和MCU，信号处理部分的检测信号输入端口分别与压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器相连，信号处理部分的信号输出端口与MCU的信号输入端口相连，MCU与显示器相连。
作为另一种优选方案，本发明所述MCU采用EFM32LG380F256芯片U1。
其次，本发明所述U1的85脚接521光耦U4的4脚，U4的4脚通过电阻R7接3.3V端，U4的3脚接DGND端，U4的1脚通过电阻R8接485-5V端，U4的2脚接MAX485芯片IC1的1脚；
U1的81脚通过电阻R10接521光耦U5的2脚，U5的1脚接3.3V端，U5的4脚接485-5V端，U5的3脚分别与电阻R11、IC1的2脚、IC1的3脚相连；
U1的84脚通过电阻R17接521光耦U6的2脚，U6的1脚接3.3V端，U6的4脚分别与电阻R16一端、IC1的4脚相连，电阻R16另一端接485-5V端，U6的3脚接485_GND端；
IC1的5脚通过电阻R15分别与IC1的7脚、电阻R12一端相连，IC1的6脚分别与电阻R9一端、电阻R14一端相连，电阻R9另一端接IC1的8脚，电阻R12另一端分别与电阻R13一端、二极管D3阳极、485up端相连，电阻R13另一端分别与电阻R14另一端、二极管D4阳极、485down端相连，二极管D4阴极接二极管D3阴极。
另外，本发明所述信号处理部分包括温压测量电路和流量测量电路。
本发明有益效果。
本发明可对管道内流动湿蒸汽的温度、压力、干度和流量进行监测。
本发明压力传感器安装在流量测量传感器上游，可准确的测量管道内湿蒸汽的真实压力。
本发明流量传感器安装在湿蒸汽干度传感器上游，可准确的测量湿蒸汽流量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明的干度传感器结构示意图。
图3是本发明的干度传感器***式结构示意图。
图4是本发明干度传感器增加平行板个数结构示意图。
图5是本发明电路原理框图。
图6是本发明电路原理图。
图7～图17是图6的分解放大图。
图18是本发明为加定位绝缘板之后的干度传感器结构示意图。
图1中：1、湿蒸汽流动方向；2、湿蒸汽管道；3、压力传感器；4、压力传感器信号线；5、流量测量传感器；6、流量传感器信号线；7、温度传感器；8、温度传感器信号线；9、干度传感器；10、干度传感器信号线；11、连接法兰；12、在线显示仪表。
图2中，1、内管体；2、外管体；3、连接法兰；4、温度传感器；5、平行板电极。
图3中，1、引流孔；2、平行板电极。
图18中，1和2为高强度绝缘板；3、连接法兰；4、温度传感器；5、平行板电极。
具体实施方式
如图所示，本发明包括压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器和在线显示仪表，压力传感器安装在流量测量传感器上游，压力传感器信号线与在线显示仪表连接；
流量传感器安装在湿蒸汽干度传感器上游，流量测量传感器通过流量传感器信号线与在线显示仪表连接。
流量测量传感器可采用型号为NCF1-SFW-B11-600-0C1EN的***式流量计，NCF1-SFW-B11-600-0C1EN型***式流量计压力损失小，对管道内流场影响小，不影响后方干度传感器的测量。
干度传感器包括内管体、外管体和平行板电极电容传感器，温度传感器设置在内管体内，外管体前后端通过连接法兰固定在被测湿蒸汽管道上；
接地电极与干度传感器的外管体相连为电容传感器的一个极板，测量极导线与干度传感器的内管体相连为电容传感器的另一个极板；接地电极与大地相连，测量极导线与测量电路相连。
所述外管体内壁具有向中部延伸的第一平行板电极，外管体外壁具有向外侧延伸的与第一平行板电极相对应的第二平行板电极。
电容量的大小取决于平行板间湿蒸汽的介电常数。当干度不同的湿蒸汽流过电容器极板时，电容器电容值发生变化，从而得到湿蒸汽干度。
采用平行板电极电容传感器测量精度较高，对管道内湿蒸汽的阻力作用小，不需要对湿蒸汽采样，可实现管线内湿蒸汽流量的在线计量，无需对蒸汽降温，无散热损失。
平行板电容器的电容量C为：
式中：a—平行板的长，m；
b—平行板的宽，m；
d—极板间距，m；
ε—介电常数(ε＝εr·ε0)；
ε0—真空介电常数，ε0＝8.854178×10-12F/m；
εr是湿蒸汽的等效相对介电常数，计算方法为：
式中：εl—饱和水的相对介电常数；
ρl—水滴的密度，kg/m3；
εv—饱和水蒸气的相对介电常数；
ρv—蒸汽的密度，kg/m3；
Y—湿蒸汽的干度。
考虑到边缘效应的平行板电容器电容值表达式：
电容器置于空气中时，根据公式(3)的电容量为C0；
管道内湿蒸汽流过电容器时，其平行板电容器电容量为Cw；
则平行板电容器通过湿蒸汽前后的电容量变化值为：
ΔC＝Cw-C0 (4)
根据电容变化量与湿蒸汽干度的对应关系，可得到湿蒸汽干度。
干度传感器在安装时，通过连接法兰固定在被测湿蒸汽管道上，平行板电极与湿蒸汽来流方向平行。
干度传感器的内管体与外管体由定位绝缘板连接固定(定位绝缘板采用绝缘性好，耐高温、高压、与湿蒸汽不发生反应的电木板材料)，保证各平行板电容间距相等，(干度传感器平行板电极采用导电、强度高的不锈钢材料)；接地电极与干度传感器的外管体相连为电容传感器的一个极板；测量极导线与干度传感器的内管体相连为电容传感器的另一个极板；接地电极与大地相连，测量极导线与测量电路相连。
干度传感器也可直接做成***式，在外管体上增加引流孔，管道内湿蒸汽通过小孔进入传感器电容极板内，通过下侧流出，实现湿蒸汽干度的实时准确计量。***式传感器内装有温度传感器。
所述平行板电极的组合为多个沿管体周向均布，增大电容器信号，提高测量精度。
所述内管体与外管体由定位绝缘板(见图18为加定位绝缘板之后的图，图中1和2为高强度绝缘板)连接固定。
所述外管体上设置有引流孔。
所述测量电路包括TLV2372ID芯片U1，U1的7脚分别与BAT54S管D2的3脚、U1的6脚相连，D2的1脚分别与电容C1一端、BAT54S管D1的2脚相连，电容C1另一端接测量极导线，接地电极通过电容C5接地；
D1的1脚分别与电容C0一端、D2的2脚相连，电容C0另一端接地；
D1的3脚分别与U1的5脚、U1的2脚、电阻R3一端相连，电阻R3另一端分别与电阻R5一端、U1的1脚相连，电阻R5另一端分别与电阻R6一端、U1的3脚相连，电阻R6另一端接地。
如图7所示，传感器电极接入图中H和G端，C1和C5为隔离电容，C0为参考电容。该部分电路将传感器的电容变化值转变成PWM波进行数字化输出。信号处理电路对输出的PWM波进行分析和处理可得出传感器电容值的变化规律，再根据电容变化与干度的关系，可得出湿蒸汽中的干度值。
充电时，电路通过R3和两个极板之间的电容Cx、C1、C5进行充电，充电电压由-VA1/2升到VA1/2，根据RC充电公式：
式中：Vt1为任意时刻t1充电电容(图中Cx、C3、C5串联后组成充电电容)上的电压值；
E为电容充满电和初始时刻的差值；
放电时，电路通过R3和C0放电，放电电压由VA1/2降到-VA1/2，根据RC放电公式：
式中：Vt2为任意时刻t2放电电容C0上的电压值；
E为电容初始时刻和放完电时的电压差值；
两式相比得出t1/t2和Cx/C0的关系，由t1、t2可以测得(根据电容充放电的时间不同，在U2A的1脚会输出为占空比和周期均可变的PWM波形，根据MCU里的时间***可以读出PWM的周期是多少，其中每个周期中高低电平所占时间的比即为t1、t2之比)，C0已知，得出Cx的电容值。
所述线显示仪表包括信号处理部分和MCU，信号处理部分的检测信号输入端口分别与压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器相连，信号处理部分的信号输出端口与MCU的信号输入端口相连，MCU与显示器相连。
所述MCU采用EFM32LG380F256芯片U1。
图11中电流输出电路用于将计算得出的流量信号，通过4-20mA的信号方式传递给上位机。
所述U1的85脚接521光耦U4的4脚，U4的4脚通过电阻R7接3.3V端，U4的3脚接DGND端，U4的1脚通过电阻R8接485-5V端，U4的2脚接MAX485芯片IC1的1脚；
U1的81脚通过电阻R10接521光耦U5的2脚，U5的1脚接3.3V端，U5的4脚接485-5V端，U5的3脚分别与电阻R11、IC1的2脚、IC1的3脚相连；
U1的84脚通过电阻R17接521光耦U6的2脚，U6的1脚接3.3V端，U6的4脚分别与电阻R16一端、IC1的4脚相连，电阻R16另一端接485-5V端，U6的3脚接485_GND端；
IC1的5脚通过电阻R15分别与IC1的7脚、电阻R12一端相连，IC1的6脚分别与电阻R9一端、电阻R14一端相连，电阻R9另一端接IC1的8脚，电阻R12另一端分别与电阻R13一端、二极管D3阳极、485up端相连，电阻R13另一端分别与电阻R14另一端、二极管D4阳极、485down端相连，二极管D4阴极接二极管D3阴极。
所述信号处理部分包括温压测量电路和流量测量电路，如图8所示。
如图5所示，通过干度传感器、温度传感器、压力传感器和流量传感器分别得到管道内流动湿蒸汽的干度、温度、压力和流量信号，经过信号处理后传至MCU，最后传至上位机，并在测量现场显示各参数测量值。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种蒸汽计量装置，包括压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器和在线显示仪表，其特征在于压力传感器安装在流量测量传感器上游，压力传感器信号线与在线显示仪表连接；
流量传感器安装在湿蒸汽干度传感器上游，流量测量传感器通过流量传感器信号线与在线显示仪表连接；
所述干度传感器包括内管体、外管体和平行板电极电容传感器，温度传感器设置在内管体内，外管体前后端通过连接法兰固定在被测湿蒸汽管道上；
接地电极与干度传感器的外管体相连为电容传感器的一个极板，测量极导线与干度传感器的内管体相连为电容传感器的另一个极板；接地电极与大地相连，测量极导线与测量电路相连；
所述外管体内壁具有向中部延伸的第一平行板电极，内管体外壁具有向外侧延伸的与第一平行板电极相对应的第二平行板电极；
所述平行板电极的组合为多个沿管体周向均布；
所述外管体上设置有引流孔；
所述干度测量电路包括TLV2372ID芯片U2A、U2B，U2B的7脚分别与BAT54S管D1的3脚、U2B的6脚相连，D1的1脚分别与电容C3一端、BAT54S管D2的2脚相连，电容C3另一端接H1；
D2的1脚分别与电容C4一端、D1的2脚相连，电容C4另一端接DGND；
D2的3脚分别与U2B的5脚、U2A的2脚、电阻R2一端相连，电阻R2另一端分别与电阻R3一端、U2A的1脚相连，电阻R3另一端分别与电阻R4一端、U2A的3脚相连，电阻R4另一端接DGND；
所述线显示仪表包括信号处理部分和MCU，信号处理部分的检测信号输入端口分别与压力传感器、流量测量传感器、温度传感器、干度传感器相连，信号处理部分的信号输出端口与MCU的信号输入端口相连，MCU与显示器相连；
所述MCU采用EFM32LG380F256芯片U1；
干度传感器也可直接做成***式，在外管体上增加引流孔，管道内湿蒸汽通过小孔进入传感器电容极板内，通过下侧流出，实现湿蒸汽干度的实时准确计量；
传感器电极接入干度测量电路的H1和G1端，C3和C5为隔离电容，C4为参考电容；将传感器的电容变化值转变成PWM波进行数字化输出；信号处理电路对输出的PWM波进行分析和处理可得出传感器电容值的变化规律，再根据电容变化与干度的关系，可得出湿蒸汽中的干度值；
所述U1的85脚接521光耦U4的4脚，U4的4脚通过电阻R7接3.3V端，U4的3脚接DGND端，U4的1脚通过电阻R8接485-5V端，U4的2脚接MAX485芯片IC1的1脚；
U1的81脚通过电阻R10接521光耦U5的2脚，U5的1脚接3.3V端，U5的4脚接485-5V端，U5的3脚分别与电阻R11、IC1的2脚、IC1的3脚相连；
U1的84脚通过电阻R17接521光耦U6的2脚，U6的1脚接3.3V端，U6的4脚分别与电阻R16一端、IC1的4脚相连，电阻R16另一端接485-5V端，U6的3脚接485_GND端；
IC1的5脚通过电阻R15分别与IC1的7脚、电阻R12一端相连，IC1的6脚分别与电阻R9一端、电阻R14一端相连，电阻R9另一端接IC1的8脚，电阻R12另一端分别与电阻R13一端、二极管D3阳极、485up端相连，电阻R13另一端分别与电阻R14另一端、二极管D4阳极、485down端相连，二极管D4阴极接二极管D3阴极；
平行板电极的组合为六组；
电流输出电路用于将计算得出的流量信号，通过4-20mA的信号方式传递给上位机；电流输出电路包括电阻R22，R22一端与CEX0相连，R22另一端与光耦OP1的1脚相连，OP1的2脚接DGND，OP1的6脚通过电阻R18分别与OP1的4脚、NPN三极管Q3的集电极相连，Q3的发射极通过电阻R25分别与电容C18一端、NPN三极管Q4发射极、运算放大器U3的负极、稳压二极管D6的正极、电容Cc1负极、4-20down相连，C18另一端分别与Q3的基极、稳压二极管D7的阴极、电阻R20一端相连，D7阳极分别与Q4的集电极和基极相连；
OP1的5脚分别与电阻R19一端、U3A的3脚相连，U3A的2脚分别与U3A的1脚、电阻R24一端相连，R24另一端分别与电容Cu-3负极、U3B的5脚相连，U3B的6脚分别与电阻R21一端、PNP三极管Q1的发射极、NPN三极管Q2的集电极相连，R21另一端分别与R19另一端、R20另一端、Cu-3正极、稳压二极管D5阳极相连，D5阴极分别与U3A的正极、D6的阴极、Cc1正极、24vos相连，Q2的发射极接4-20up，Q2的基极接Q1的集电极；
信号处理部分包括温压测量电路和流量测量电路；温压测量电路包括运算放大器U1A、U2A和三端稳压块TL1、TL2，压力变送器P1的1脚通过保险丝F1接TL1的1脚，TL1的2脚分别与P1的2脚、电阻Rc1一端、DGND、电容C6一端相连，Rc1另一端分别与TL1的3脚、C6另一端、U1A的3脚相连，U1A的2脚分别与U1A的1脚、U1B的46脚相连；
温度变送器P2的1脚通过保险丝F2接TL2的2脚，TL2的2脚分别与P2的2脚、电阻Rc2一端、DGND、电容C7一端相连，Rc2另一端分别与TL2的3脚、C7另一端、U2A的3脚相连，U2A的2脚分别与U2A的1脚、U1B的47脚相连。
2.根据权利要求1所述一种蒸汽计量装置，其特征在于所述内管体与外管体由定位绝缘板连接固定。
3.根据权利要求1所述一种蒸汽计量装置，其特征在于充电时，电路通过R3和两个极板之间的电容Cx、C1、C5进行充电，充电电压由-VA1/2升到VA1/2，根据RC充电公式：
式中：Vt1为任意时刻t1充电电容上的电压值；
E为电容充满电和初始时刻的差值；
放电时，电路通过R3和C0放电，放电电压由VA1/2降到-VA1/2，根据RC放电公式：
式中：Vt2为任意时刻t2放电电容C0上的电压值；
E为电容初始时刻和放完电时的电压差值；
两式相比得出t1/t2和Cx/C0的关系，由t1、t2可以测得，C0已知，得出Cx的电容值。
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| Title |
|---|
| 基于电容法测量注汽井干度研究与设计;何学兰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑》;20150215(第2期);第19、22-24、53页 * |
| 热采水平井注蒸汽四参数测试仪研制及应用;吴国伟等;《石油机械》;20121231;第40卷(第12期);第103-104页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110186515A (zh) | 2019-08-30 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Denomination of invention: A steam metering device Effective date of registration: 20220110 Granted publication date: 20210831 Pledgee: China Construction Bank Corporation Nanjing Jianye sub branch Pledgor: NANJING HANHUA FLUID TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980000227 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230307 Granted publication date: 20210831 Pledgee: China Construction Bank Corporation Nanjing Jianye sub branch Pledgor: NANJING HANHUA FLUID TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980000227 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |