混裝車乳化基質(zhì)斷流報(bào)警傳感器的選型應(yīng)用

姜祖勇 葉德宏 孟廣雄

（1.保利澳瑞凱（江蘇）礦山機(jī)械有限公司；2.國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能炸藥廠）

《現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥生產(chǎn)安全管理規(guī)程》（WJ 9072—2012）中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車安全和控制功能明確要求:現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車制備與輸送系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有自動(dòng)監(jiān)控裝置、安全聯(lián)鎖裝置和緊急停車裝置，出現(xiàn)物料斷料、超溫、超壓等情況時(shí)應(yīng)報(bào)警并自動(dòng)停車［1］。本研究主要通過介紹流量檢測(cè)傳感器的測(cè)量原理和選型方法，探討一種簡(jiǎn)易安裝斷流檢測(cè)傳感器的選型和應(yīng)用，解決在現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車（下述簡(jiǎn)稱“混裝車”）含有硝酸銨乳化基質(zhì)（下述簡(jiǎn)稱“乳化基質(zhì)”）泵送環(huán)節(jié)中乳化基質(zhì)斷流造成泵和物料摩擦生熱產(chǎn)生危險(xiǎn)的問題，使混裝車符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 流量傳感器測(cè)量原理分類和選型方法

1.1 流量傳感器測(cè)量原理分類

測(cè)量流量的傳感器有多種，一般按照測(cè)量的原理可大概分為以下幾種［2］。

（1）力學(xué)原理。渦街流量計(jì)利用流體振蕩原理；靶式流量計(jì)利用流體動(dòng)量原理；渦輪流量計(jì)利用角動(dòng)量定理；差壓流量計(jì)利用伯努利定理；質(zhì)量流量計(jì)利用牛頓第二定律直接質(zhì)量測(cè)量；容積式流量計(jì)利用總靜壓力差等。

（2）電學(xué)原理。電學(xué)原理測(cè)量一般有電磁流量計(jì)、電感流量計(jì)、應(yīng)變電阻流量計(jì)等。

（3）聲學(xué)原理。聲學(xué)原理對(duì)流量測(cè)量一般使用超聲波和多普勒效應(yīng)。

（4）熱學(xué)原理。熱學(xué)原理對(duì)流量測(cè)量有熱量式，直接或間接測(cè)量。

（5）光學(xué)原理。一般采用激光式、光電式傳感器進(jìn)行流量測(cè)量。

（6）其它原理。還有示蹤式、核磁共振式、核幅射式測(cè)量原理。

1.2 流量傳感器選擇方法

由于不同介質(zhì)的物理特性不同，需要選擇合適測(cè)量原理的流量傳感器才能準(zhǔn)確測(cè)量相應(yīng)介質(zhì)流量。經(jīng)過下面4個(gè)步驟選擇流量計(jì)。

（1）確認(rèn)檢測(cè)流體的性質(zhì)（表1）。

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（2）確認(rèn)測(cè)量目的并決定檢測(cè)方法。明確測(cè)量目的就是明確方向，確定一個(gè)可實(shí)際操作的檢測(cè)系統(tǒng)，并兼顧精度需求和實(shí)際流量范圍。

（3）確認(rèn)產(chǎn)品使用工況和規(guī)范。確認(rèn)產(chǎn)品的工況和使用環(huán)境，是否為震動(dòng)環(huán)境、是否受日曬雨淋、是否為危險(xiǎn)品測(cè)量，是滿足普通防護(hù)還是防水防塵或者防爆。

（4）使用成本。使用成本是流量計(jì)選用的重要因素，主要從產(chǎn)品的單價(jià)、故障率、維護(hù)頻率、備品備件價(jià)格、安裝拆卸的難易程度和所花費(fèi)的人工成本；以及設(shè)置、故障排除或者要求售后服務(wù)的相關(guān)成本。

2 斷流報(bào)警傳感器篩選和常用傳感器對(duì)比

2.1 傳感器類型選擇

基于各種原理制成的適合不同原料和場(chǎng)景的流量傳感器品種很多，但是由于散裝乳化基質(zhì)的特性和混裝車這樣一個(gè)移動(dòng)式振動(dòng)使用環(huán)境，可以達(dá)到穩(wěn)定測(cè)量、耐久使用、便于維護(hù)的流量計(jì)種類并不多。

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化基質(zhì)使用硝酸銨水溶液和復(fù)合油相混制乳化而成，形成相對(duì)穩(wěn)定的油包水結(jié)構(gòu)［3］；該結(jié)構(gòu)的乳化基質(zhì)電導(dǎo)率一般為0.005μs/cm，幾乎可以忽略不計(jì)；同時(shí)因配方、使用環(huán)境、介質(zhì)溫度不同，所制成的乳化基質(zhì)黏度范圍也比較寬泛，一般在20~50 Pa·s；乳化基質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)和泵送溫度在10~80℃，通常泵送壓力在0.3~1.8 MPa。

基于乳化基質(zhì)物理特性和車載使用的特點(diǎn)，可以剔除大部分流量傳感器類型；比如光學(xué)原理流量計(jì)由于測(cè)量條件不匹配被排除。

由于可操作性和成本原因被排除。對(duì)于流體測(cè)量應(yīng)用廣泛的電磁流量計(jì)，由于乳化基質(zhì)電導(dǎo)率極低，電磁流量計(jì)測(cè)量5μs/cm以上的電導(dǎo)率流體較為合適，精度更高的電容式電磁流量計(jì)可測(cè)電導(dǎo)率也要在0.01μs/cm以上，所以電磁流量計(jì)不能選用［4］。

選擇傳感器要同時(shí)考慮環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度、介質(zhì)密度、介質(zhì)黏度、工作壓力、壓力損失、安裝方式和工況這些重要參數(shù)。比如泵送黏度較大的流體使用容積式流量計(jì)［5］較合適，選用渦街、浮子、渦輪等流量計(jì)會(huì)因黏度過大而無(wú)法測(cè)量；泵送過程有脈動(dòng)，不適宜選用壓差式流量傳感器；安裝要求高，需要較長(zhǎng)前后直管進(jìn)行安裝的流量傳感器，不適宜使用在炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車上；含有較大雜質(zhì)或小塊流體，不宜選用有轉(zhuǎn)動(dòng)件傳感器。超聲波流量傳感器會(huì)因超聲波超過一定強(qiáng)度會(huì)使油包水結(jié)構(gòu)破壞形成破乳［6］，也因乳化基質(zhì)中加入敏化劑后發(fā)泡過快產(chǎn)生大量氣泡造成無(wú)法測(cè)量，或因基質(zhì)粘連管道帶來誤差而淘汰。

2.2 常用流量傳感器對(duì)比

經(jīng)過篩選，適合混裝車乳化基質(zhì)泵送斷流檢測(cè)的傳感器類型有限，下面列舉常用的3種進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比。

2.2.1 容積式流量傳感器

容積式流量傳感器測(cè)量原理相對(duì)簡(jiǎn)單，流量計(jì)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的吸入轉(zhuǎn)動(dòng)空間固定，類似于一個(gè)“量杯”；通過進(jìn)出口之間的壓差形成轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)被測(cè)流體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，對(duì)“量杯”的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)進(jìn)行累加計(jì)算；求出乳化基質(zhì)的流量。

容積式流量計(jì)（圖1）對(duì)所測(cè)流體在不考量密度變化的情況下計(jì)量精度高，適合測(cè)量高黏度流體，流量流速可測(cè)范圍寬；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動(dòng)部件易磨損需定期檢查更換，采購(gòu)和使用成本高，使用過程中產(chǎn)生壓力損失，使泵送壓力增大，同時(shí)當(dāng)流體中有異物時(shí)容易堵塞?；煅b車箱如舊料清理不凈產(chǎn)生析晶結(jié)塊，容易造成該傳感器堵塞故障。

2.2.2 靶式流量計(jì)

靶式流量計(jì)（圖2）可用來測(cè)量黏度較高流體的流量［7］。由圖2可見，管道內(nèi)的主體是一個(gè)連桿靶，流體泵送流動(dòng)時(shí)，流體沖擊在靶上，靶會(huì)產(chǎn)生微小的變形帶動(dòng)連桿和變送電路，變形量反映出流量大小。該類型傳感器適應(yīng)管徑范圍寬、使用溫度范圍廣（-198~500℃），承受管道壓力為0~40 MPa，可用于各種介質(zhì)，包括高黏度液體、漿體，可檢測(cè)低流速介質(zhì)，最低可測(cè)流速為0.08 m/s。

該流量計(jì)缺點(diǎn)是安裝要求較高，長(zhǎng)時(shí)間使用后容易漂移，需要標(biāo)定，對(duì)容易粘黏的介質(zhì)需要定期清理靶板，否則容易測(cè)量不準(zhǔn)確；適合持續(xù)工作的流體測(cè)量環(huán)境，頻繁開關(guān)的使用場(chǎng)合會(huì)影響流量準(zhǔn)確度。

2.2.3 質(zhì)量式流量計(jì)

混裝車質(zhì)量流量計(jì)一般選用的是科理奧利原理，使用流體流經(jīng)固定頻率的薄壁振動(dòng)管，流體質(zhì)量流量與流體作用力之間產(chǎn)生固定的函數(shù)關(guān)系；流體沒有流動(dòng)時(shí)，薄壁振動(dòng)管不產(chǎn)生因流體作用的變形，在薄壁振動(dòng)管兩側(cè)安裝的電磁拾振傳感器檢測(cè)到相位相同的信號(hào)；當(dāng)流體在薄壁振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，振動(dòng)管在科里奧利力作用下產(chǎn)生變形，此時(shí)電磁拾振傳感器獲取的信號(hào)存在了相位差（圖3）；變送器計(jì)算2個(gè)相位差值，依據(jù)差值與流體質(zhì)量流量正比關(guān)系就可得出確定的質(zhì)量流量。該流量計(jì)還可進(jìn)行密度測(cè)量，利用流體流經(jīng)薄壁管振動(dòng)頻率與流經(jīng)流體密度的平方根成反比的關(guān)系測(cè)量密度。

該類型傳感器可直接測(cè)量質(zhì)量流量，測(cè)量精度高；可測(cè)量大部分的流體，基本不受含有雜質(zhì)、黏度高、流體黏度不均勻、含氣泡混合流體等性質(zhì)流體的影響。薄壁振動(dòng)測(cè)量管路內(nèi)光滑無(wú)阻礙，基本沒有進(jìn)出口直管段要求；可同時(shí)測(cè)量流體的2~3種參數(shù)，在測(cè)量質(zhì)量流量的同時(shí)測(cè)量溫度或者密度。

缺點(diǎn)是該流量計(jì)由于本身特性易形成零點(diǎn)漂移，影響測(cè)量精確度，在被測(cè)液體中氣體含量超過某一定程度時(shí)將對(duì)測(cè)量值影響較大。同時(shí)，該流量計(jì)是通過對(duì)比2根薄壁振動(dòng)管流體流經(jīng)的振動(dòng)相位差檢測(cè)，故對(duì)非自激勵(lì)振動(dòng)較為敏感?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)安裝在混裝車上時(shí)，需要做減振避震處理。一般型號(hào)壓力損失較大，與容積式流量相當(dāng)，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量和體積較大對(duì)于安裝空間有一定要求。同時(shí)測(cè)量過程中對(duì)流體輸送的壓力敏感［8］，輸送壓力起伏不定時(shí)，會(huì)增加測(cè)量誤差。由于內(nèi)部雙管結(jié)構(gòu)，傳感器內(nèi)部管路如果堵塞則難以清理。為減少壓力損失滿足安裝空間，混裝車一般選擇直通型和V型科里奧利流量計(jì)進(jìn)行流量判斷。

3 新型熱導(dǎo)式流量計(jì)的選擇和應(yīng)用

3.1 傳感器原理

流體在流動(dòng)過程中也帶動(dòng)本身熱量轉(zhuǎn)移，在流動(dòng)和熱量移動(dòng)的過程中會(huì)和接觸物間形成熱量交換，通過測(cè)量被換熱物體的溫度變化來計(jì)算流體的流量和流速［9］。利用溫度變化測(cè)量流量，可以簡(jiǎn)單分成2種方法：①熱導(dǎo)式，比如熱線風(fēng)速計(jì)的應(yīng)用；②熱量式，比如托馬斯流量計(jì)的應(yīng)用。熱式流量計(jì)還可以進(jìn)行直接式質(zhì)量測(cè)量，利用流體靜止和流動(dòng)時(shí)檢測(cè)到的溫度差值變化進(jìn)行計(jì)算。

模型公式：

式中，ρg為流體密度（工況體積下的介質(zhì)密度），kg/m3；v為流速，m/s；K為平衡系數(shù)（常數(shù)）；Q為加熱量（和比熱及結(jié)構(gòu)相關(guān)），W；ΔT為溫度差，℃。

取流速結(jié)果作為流量報(bào)警信號(hào)，定制了的SIYEx-50型隔爆一體流量傳感器（圖4），基于熱導(dǎo)式熱交換和損失原理。

傳感器內(nèi)是一個(gè)變形惠斯通橋，由2個(gè)PT熱敏電阻與2個(gè)內(nèi)部電阻連接組成，分別用來測(cè)量介質(zhì)溫度和被加熱后的溫度，測(cè)量被加熱溫度的電阻和加熱元件相連，通電后加熱元件工作，導(dǎo)致2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻間產(chǎn)生溫度差（圖5）。

被測(cè)流體不流動(dòng)時(shí)，這個(gè)溫度差值是恒定的；流體流動(dòng)時(shí)因熱交換導(dǎo)致加熱元件上的溫度降低，進(jìn)而惠斯通橋中的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓產(chǎn)生變化，熱量損失越大則流速越大；圖6中縱坐標(biāo)測(cè)量電壓的比值（最大信號(hào)強(qiáng)度）即流速的變化，與橫坐標(biāo)傳感器檢測(cè)的最大流量對(duì)應(yīng)關(guān)系。處理器再將縱坐標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成NPN、PNP、4～20 mA、繼電器等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

隨著流體流速增加,換走的熱量越大造成熱損失增加，檢測(cè)的最大信號(hào)強(qiáng)度接近于1，如果達(dá)到該值，則系統(tǒng)飽和，再多的熱量損失也不會(huì)被檢測(cè)到。所以,安裝后標(biāo)定額定最大流量時(shí)設(shè)定流量為100%，設(shè)定0%~10%持續(xù)1~5 s為斷流狀態(tài)，報(bào)警范圍和持續(xù)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況調(diào)整；結(jié)合配套的壓力傳感器可判斷斷流原因，壓力高可判斷為堵料斷流，壓力低是空轉(zhuǎn)斷流。（安裝方式見圖7）。

3.2 定制需求

（1）探桿變送器一體式結(jié)構(gòu)，易密封，螺紋連接，便于安裝和日常維護(hù)，幾乎無(wú)壓力損失，一種型號(hào)適用多種管徑要求。

（2）采用單片機(jī)控制和數(shù)碼高清顯示流量百分比，整套傳感器可在環(huán)境溫度為-40～150℃，物料溫度為-20～85℃的范圍內(nèi)正常工作。

（3）操作簡(jiǎn)便、高靈敏度、開關(guān)量連續(xù)可調(diào)、多種輸出方式PNP、NPN、繼電器、4～20 mA可選；直流寬電源供電，具有反向、過載、短路保護(hù)；探桿自熱溫度小于等于85℃。

（4）可隨時(shí)設(shè)置當(dāng)前流量對(duì)應(yīng)的百分比，防護(hù)等級(jí)IP67，防爆等級(jí)Exd IIC T6 Gb；探頭和本體都選用ANSI316L材質(zhì)，工作壓力為10 MPa，符合混裝車現(xiàn)場(chǎng)使用工況。

（5）要求達(dá)到測(cè)量介質(zhì)流速范圍：市政自來水為3～300 cm/s；空氣為200～3 000 cm/s；柴油為3～300 cm/s。

3.3 定型后的測(cè)試應(yīng)用

將定制的流量傳感器安裝于保利澳瑞凱（江蘇）礦山機(jī)械有限公司乳化和多工能炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車的基質(zhì)泵（圖8）和產(chǎn)品泵出口（圖9），進(jìn)行多組測(cè)試。

測(cè)量工況：DN25管最大泵送效率為150 kg/min，DN50管最大泵送效率為350 kg/min，DN80管最大泵送效率為550 kg/min；基質(zhì)溫度為5～85℃；基質(zhì)黏度為20~50 Pa.s；泵送壓力為0.3～3 MPa。

測(cè)量乳化基質(zhì)流速范圍3～210 cm/s（因測(cè)量條件原因，非最高限值），流速開關(guān)精度±1～±3 cm/s，預(yù)熱時(shí)間首次通電后1 min，工作壓力≤3 MPa，消耗電流<80 mA，響應(yīng)時(shí)間2（2～10）s可調(diào)，介質(zhì)溫度最大變化率300 K/min。

4 結(jié)語(yǔ)

試用超過3 a后驗(yàn)證，該型傳感器應(yīng)用于乳化基質(zhì)斷流報(bào)警具有靈敏度較高，溫度性較好，防護(hù)等級(jí)高，無(wú)壓力損失，免于維護(hù)，體積?。ū阌诎惭b更換），價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。試用過程中個(gè)別現(xiàn)場(chǎng)乳化基質(zhì)上車溫度接近臨界許可溫度為85℃時(shí)出現(xiàn)傳感器測(cè)量不精確的現(xiàn)象，針對(duì)這種情況，改進(jìn)了溫度傳導(dǎo)、隔熱和內(nèi)部處理程序?qū)⒔橘|(zhì)可檢測(cè)溫度提升到100℃而解決了問題。通過篩選、對(duì)比，使用SIY-Ex-50隔爆型一體式流量傳感器能較好地使用在現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車乳化基質(zhì)泵送流量監(jiān)測(cè)和斷流報(bào)警環(huán)節(jié)。