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      气体超声流量计的本质安全设计


      气体超声流量计的本质安全设计,介绍了国内外超声流量计的发展及普及历程, 概述了其组成和工作原理。分析了气体超声流量计的防爆技术现状, 比较了隔爆型与本质安全型的优缺点, 通过具体示例提出了产品实现本质安全性能需要采用的几点措施。

      天然气输运、交接过程中要求流量计精度高、压力覆盖范围宽、量程比高、压损小,因气体超声流量计很好地满足要求,被广泛应用在爆炸性气体环境中,但是必须采用合适的防爆技术。
      1 气体超声流量计发展历程
      上世纪20年代,德国人研制成功**台超声流量计。70年代以后,由于集成电路和锁相环路技术的发展,克服了以前**度不高,反应慢,稳定性与可靠性差等弱点,超声流量计得以发展。90年代后,超声技术开始应用于气体流量测量领域。随着计算机技术,新材料新工艺技术的快速发展,气体超声流量计在天然气工业中应用得到突破性进展。
      2 气体超声流量计的组成及原理
      2.1 气体超声流量计的组成
      气体超声流量计如图1所示,由转换器和表体组成。
      转换器由壳体及其内部的电源管理、超声波信号处理、人机接口等模块组成;转换器的功能是驱动发射换能器产生超声波,并对接收换能器的电信号进行处理,测量出超声波在管道中传播的顺向、逆向时间,在此基础上计算出管道内的气体流速,进而推导出气体的流量。
      表体由短截和换能器组成[1]。短截是温压采集部件,经过特殊制造,它的设计涉及公称压力、声道型式、介质要求、配件安装等因素;换能器能将电能转换成声能,又能将声能转换成电能,超声流量计中换能器收发一体。表体与被测气体直接接触,采集包含流体信息的状态信号,将信号传到转换器中进行处理。

       图1 气体超声流量计组成示意
      2.2 气体超声流量计原理
      时差法原理如图2所示,是指在流动气体中的相同行程内,用顺流和逆流传播的两个超声信号的传播时间差来确定沿声道的气体平均流速所进行的气体流量测量方法。

       图2 时差法原理
      假设两个换能器间的超声传播距离为L,超声传播方向与轴线之间的夹角为θ,超声波在静态气体中的声速为c0,则当管道内气体的流速为u时,超声波沿气流顺向传播和逆向传播的声速c1、c2分别为:
      c1=L/ (t1-τ1) =c0+ucosθ (1)
      c2=L/ (t2-τ2) =c0-ucosθ (2)
      式中:t1、t2分别为声波顺向传播和逆向传播时的声时;τ1、τ2分别为超声波顺向传播和逆向传播时由电路、电缆及换能器等所产生的声延时。
      推导即得:
      3 气体超声流量计的防爆设计
      气体超声流量计多用于天然气长输管线、城市门站、各种工业场合,属于爆炸性气体环境。
      之前气体超声流量计换能器驱动电路是100伏以上的高压单脉冲触发,只能采取隔爆型技术。隔爆型“d”防爆原理是指外壳能够承受通过外壳任何结合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃气体混合物在内部爆炸而不损坏,并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸气形成的爆炸性环境点燃。隔爆技术属于1区防爆技术,适用于工厂和井下爆炸性气体环境。其制造技术较为成熟,应用广泛。但是,由于隔爆结构原因,如图1所示,重量较大,比较笨重,并且隔爆型电气设备必须断电源后再开盖,不便于维护。随着低电压多脉冲触发技术研究的深入,使电路本安设计成为可能[2,3]。
      3.1 本质安全技术的优点
      本质安全型设备则完全摆脱了笨重的外壳,因而重量轻、体积小、节约大量钢材、价格较低、制造维护方便,故在石油、化工、煤炭等工矿企业危险环境中广泛应用[4,5]。
      现有产品通过降低功耗、抑制能量等措施,可以到达Ex ibⅡB T4 Gb的防爆性能[5]。
      3.2 本质安全设计的重点
      3.2.1 限制电路中的电压和电流
      电路中几组电源可分别通过限流电阻,稳压二极管以及熔丝等保护器件,达到限制能量的目的,图3为典型限能电路:

       图3 典型限能电路
      R44为限流电阻,将其做成可靠元件后,即使电路发生短路故障,其电流也被限定在安全范围。
      DZ5、DZ6两个双重化稳压二极管起到限制电压的作用,即使电路故障,也能保证稳压电路的可靠性。
      3.2.2 限制电路中的电容、电感等储能元件
      首先归纳不同电源供电下的电容,所有电容之和为故障条件下总电容*大值,考虑到电容精度,选取*坏条件下的数值。各电源电容值均小于标准中允许的电容值。
      其次,电路中电感总和也不能超过标准规定的要求。
      3.2.3 本质安全电路中隔离
      电路中换能器的驱动电路需要的电压 (VCC-H) ,必须有相应的隔离和保护措施才能保证在故障状态下电路的本质安全性能。采用驱动端使用高速光耦将能量隔离,光耦芯片做可靠性设计,接收端并联两个限压稳压二极管。
      3.2.4 设计相应的可靠元件和组件
      可靠元件或可靠组件是指认为不会发生本部分规定的某个故障状态的元件或元件组件。
      限流电路、隔离电路,通过保证元件结构形式及其额定值,成为可靠元件或组件,通过浇封或涂覆的措施,成为可靠组件,保证电路的安全性能。
      3.2.5 电路的热校核
      电路表面温度控制在爆炸性混合气体引燃温度以下。
      芯片的表面温度可按以下公式校验:
      Tj=T0+PRth (4)
      式中Tj表示结温,即芯片表面温度,T0表示外界环境的温度,表示芯片内部产生的功率,Rth表示芯片的热阻系数。要计算芯片*高温度,可根据超声流量计设计的*高工作温度、芯片厂方数据手册的热阻以及输入芯片的*大功率即可求出,应满足T4温度组别的要求。同理计算出电路中其他芯片的*高表面温度,电路中元件表面*高温度均不超过规定允许温度。
      4 小结
      随着气体超声流量计技术在城市燃气计量应用方面日趋成熟,其安全性、可靠性、可维护性也会更加受到用户的重视,文章分析了隔爆技术和本质安全技术的优缺点以及本安关键部件的设计思想。其中,本安防爆是否可行,需由本安实验来*终判定。

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