混装车乳化基质断流报警传感器的选型应用

姜祖勇 叶德宏 孟广雄

（1.保利澳瑞凯（江苏）矿山机械有限公司；2.国家能源集团准能炸药厂）

《现场混装炸药生产安全管理规程》（WJ 9072—2012）中对现场混装炸药车安全和控制功能明确要求:现场混装炸药车制备与输送系统应设有自动监控装置、安全联锁装置和紧急停车装置，出现物料断料、超温、超压等情况时应报警并自动停车［1］。本研究主要通过介绍流量检测传感器的测量原理和选型方法，探讨一种简易安装断流检测传感器的选型和应用，解决在现场混装炸药车（下述简称“混装车”）含有硝酸铵乳化基质（下述简称“乳化基质”）泵送环节中乳化基质断流造成泵和物料摩擦生热产生危险的问题，使混装车符合上述标准要求。

1 流量传感器测量原理分类和选型方法

1.1 流量传感器测量原理分类

测量流量的传感器有多种，一般按照测量的原理可大概分为以下几种［2］。

（1）力学原理。涡街流量计利用流体振荡原理；靶式流量计利用流体动量原理；涡轮流量计利用角动量定理；差压流量计利用伯努利定理；质量流量计利用牛顿第二定律直接质量测量；容积式流量计利用总静压力差等。

（2）电学原理。电学原理测量一般有电磁流量计、电感流量计、应变电阻流量计等。

（3）声学原理。声学原理对流量测量一般使用超声波和多普勒效应。

（4）热学原理。热学原理对流量测量有热量式，直接或间接测量。

（5）光学原理。一般采用激光式、光电式传感器进行流量测量。

（6）其它原理。还有示踪式、核磁共振式、核幅射式测量原理。

1.2 流量传感器选择方法

由于不同介质的物理特性不同，需要选择合适测量原理的流量传感器才能准确测量相应介质流量。经过下面4个步骤选择流量计。

（1）确认检测流体的性质（表1）。

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（2）确认测量目的并决定检测方法。明确测量目的就是明确方向，确定一个可实际操作的检测系统，并兼顾精度需求和实际流量范围。

（3）确认产品使用工况和规范。确认产品的工况和使用环境，是否为震动环境、是否受日晒雨淋、是否为危险品测量，是满足普通防护还是防水防尘或者防爆。

（4）使用成本。使用成本是流量计选用的重要因素，主要从产品的单价、故障率、维护频率、备品备件价格、安装拆卸的难易程度和所花费的人工成本；以及设置、故障排除或者要求售后服务的相关成本。

2 断流报警传感器筛选和常用传感器对比

2.1 传感器类型选择

基于各种原理制成的适合不同原料和场景的流量传感器品种很多，但是由于散装乳化基质的特性和混装车这样一个移动式振动使用环境，可以达到稳定测量、耐久使用、便于维护的流量计种类并不多。

现场混装乳化基质使用硝酸铵水溶液和复合油相混制乳化而成，形成相对稳定的油包水结构［3］；该结构的乳化基质电导率一般为0.005μs/cm，几乎可以忽略不计；同时因配方、使用环境、介质温度不同，所制成的乳化基质黏度范围也比较宽泛，一般在20~50 Pa·s；乳化基质储运和泵送温度在10~80℃，通常泵送压力在0.3~1.8 MPa。

基于乳化基质物理特性和车载使用的特点，可以剔除大部分流量传感器类型；比如光学原理流量计由于测量条件不匹配被排除。

由于可操作性和成本原因被排除。对于流体测量应用广泛的电磁流量计，由于乳化基质电导率极低，电磁流量计测量5μs/cm以上的电导率流体较为合适，精度更高的电容式电磁流量计可测电导率也要在0.01μs/cm以上，所以电磁流量计不能选用［4］。

选择传感器要同时考虑环境温度、介质温度、介质密度、介质黏度、工作压力、压力损失、安装方式和工况这些重要参数。比如泵送黏度较大的流体使用容积式流量计［5］较合适，选用涡街、浮子、涡轮等流量计会因黏度过大而无法测量；泵送过程有脉动，不适宜选用压差式流量传感器；安装要求高，需要较长前后直管进行安装的流量传感器，不适宜使用在炸药现场混装车上；含有较大杂质或小块流体，不宜选用有转动件传感器。超声波流量传感器会因超声波超过一定强度会使油包水结构破坏形成破乳［6］，也因乳化基质中加入敏化剂后发泡过快产生大量气泡造成无法测量，或因基质粘连管道带来误差而淘汰。

2.2 常用流量传感器对比

经过筛选，适合混装车乳化基质泵送断流检测的传感器类型有限，下面列举常用的3种进行简单对比。

2.2.1 容积式流量传感器

容积式流量传感器测量原理相对简单，流量计内部运转时产生的吸入转动空间固定，类似于一个“量杯”；通过进出口之间的压差形成转动，对被测流体进行连续测量，对“量杯”的转动次数进行累加计算；求出乳化基质的流量。

容积式流量计（图1）对所测流体在不考量密度变化的情况下计量精度高，适合测量高黏度流体，流量流速可测范围宽；但结构复杂、质量大、转动部件易磨损需定期检查更换，采购和使用成本高，使用过程中产生压力损失，使泵送压力增大，同时当流体中有异物时容易堵塞。混装车箱如旧料清理不净产生析晶结块，容易造成该传感器堵塞故障。

2.2.2 靶式流量计

靶式流量计（图2）可用来测量黏度较高流体的流量［7］。由图2可见，管道内的主体是一个连杆靶，流体泵送流动时，流体冲击在靶上，靶会产生微小的变形带动连杆和变送电路，变形量反映出流量大小。该类型传感器适应管径范围宽、使用温度范围广（-198~500℃），承受管道压力为0~40 MPa，可用于各种介质，包括高黏度液体、浆体，可检测低流速介质，最低可测流速为0.08 m/s。

该流量计缺点是安装要求较高，长时间使用后容易漂移，需要标定，对容易粘黏的介质需要定期清理靶板，否则容易测量不准确；适合持续工作的流体测量环境，频繁开关的使用场合会影响流量准确度。

2.2.3 质量式流量计

混装车质量流量计一般选用的是科理奥利原理，使用流体流经固定频率的薄壁振动管，流体质量流量与流体作用力之间产生固定的函数关系；流体没有流动时，薄壁振动管不产生因流体作用的变形，在薄壁振动管两侧安装的电磁拾振传感器检测到相位相同的信号；当流体在薄壁振动管中流动时，振动管在科里奥利力作用下产生变形，此时电磁拾振传感器获取的信号存在了相位差（图3）；变送器计算2个相位差值，依据差值与流体质量流量正比关系就可得出确定的质量流量。该流量计还可进行密度测量，利用流体流经薄壁管振动频率与流经流体密度的平方根成反比的关系测量密度。

该类型传感器可直接测量质量流量，测量精度高；可测量大部分的流体，基本不受含有杂质、黏度高、流体黏度不均匀、含气泡混合流体等性质流体的影响。薄壁振动测量管路内光滑无阻碍，基本没有进出口直管段要求；可同时测量流体的2~3种参数，在测量质量流量的同时测量温度或者密度。

缺点是该流量计由于本身特性易形成零点漂移，影响测量精确度，在被测液体中气体含量超过某一定程度时将对测量值影响较大。同时，该流量计是通过对比2根薄壁振动管流体流经的振动相位差检测，故对非自激励振动较为敏感。科里奥利质量流量计安装在混装车上时，需要做减振避震处理。一般型号压力损失较大，与容积式流量相当，科里奥利质量流量计的质量和体积较大对于安装空间有一定要求。同时测量过程中对流体输送的压力敏感［8］，输送压力起伏不定时，会增加测量误差。由于内部双管结构，传感器内部管路如果堵塞则难以清理。为减少压力损失满足安装空间，混装车一般选择直通型和V型科里奥利流量计进行流量判断。

3 新型热导式流量计的选择和应用

3.1 传感器原理

流体在流动过程中也带动本身热量转移，在流动和热量移动的过程中会和接触物间形成热量交换，通过测量被换热物体的温度变化来计算流体的流量和流速［9］。利用温度变化测量流量，可以简单分成2种方法：①热导式，比如热线风速计的应用；②热量式，比如托马斯流量计的应用。热式流量计还可以进行直接式质量测量，利用流体静止和流动时检测到的温度差值变化进行计算。

模型公式：

式中，ρg为流体密度（工况体积下的介质密度），kg/m3；v为流速，m/s；K为平衡系数（常数）；Q为加热量（和比热及结构相关），W；ΔT为温度差，℃。

取流速结果作为流量报警信号，定制了的SIYEx-50型隔爆一体流量传感器（图4），基于热导式热交换和损失原理。

传感器内是一个变形惠斯通桥，由2个PT热敏电阻与2个内部电阻连接组成，分别用来测量介质温度和被加热后的温度，测量被加热温度的电阻和加热元件相连，通电后加热元件工作，导致2个标准电阻间产生温度差（图5）。

被测流体不流动时，这个温度差值是恒定的；流体流动时因热交换导致加热元件上的温度降低，进而惠斯通桥中的2个标准电阻电压产生变化，热量损失越大则流速越大；图6中纵坐标测量电压的比值（最大信号强度）即流速的变化，与横坐标传感器检测的最大流量对应关系。处理器再将纵坐标信号转换成NPN、PNP、4～20 mA、继电器等标准信号输出。

随着流体流速增加,换走的热量越大造成热损失增加，检测的最大信号强度接近于1，如果达到该值，则系统饱和，再多的热量损失也不会被检测到。所以,安装后标定额定最大流量时设定流量为100%，设定0%~10%持续1~5 s为断流状态，报警范围和持续时间可根据现场使用情况调整；结合配套的压力传感器可判断断流原因，压力高可判断为堵料断流，压力低是空转断流。（安装方式见图7）。

3.2 定制需求

（1）探杆变送器一体式结构，易密封，螺纹连接，便于安装和日常维护，几乎无压力损失，一种型号适用多种管径要求。

（2）采用单片机控制和数码高清显示流量百分比，整套传感器可在环境温度为-40～150℃，物料温度为-20～85℃的范围内正常工作。

（3）操作简便、高灵敏度、开关量连续可调、多种输出方式PNP、NPN、继电器、4～20 mA可选；直流宽电源供电，具有反向、过载、短路保护；探杆自热温度小于等于85℃。

（4）可随时设置当前流量对应的百分比，防护等级IP67，防爆等级Exd IIC T6 Gb；探头和本体都选用ANSI316L材质，工作压力为10 MPa，符合混装车现场使用工况。

（5）要求达到测量介质流速范围：市政自来水为3～300 cm/s；空气为200～3 000 cm/s；柴油为3～300 cm/s。

3.3 定型后的测试应用

将定制的流量传感器安装于保利澳瑞凯（江苏）矿山机械有限公司乳化和多工能炸药现场混装车的基质泵（图8）和产品泵出口（图9），进行多组测试。

测量工况：DN25管最大泵送效率为150 kg/min，DN50管最大泵送效率为350 kg/min，DN80管最大泵送效率为550 kg/min；基质温度为5～85℃；基质黏度为20~50 Pa.s；泵送压力为0.3～3 MPa。

测量乳化基质流速范围3～210 cm/s（因测量条件原因，非最高限值），流速开关精度±1～±3 cm/s，预热时间首次通电后1 min，工作压力≤3 MPa，消耗电流<80 mA，响应时间2（2～10）s可调，介质温度最大变化率300 K/min。

4 结语

试用超过3 a后验证，该型传感器应用于乳化基质断流报警具有灵敏度较高，温度性较好，防护等级高，无压力损失，免于维护，体积小（便于安装更换），价格较低等优点。试用过程中个别现场乳化基质上车温度接近临界许可温度为85℃时出现传感器测量不精确的现象，针对这种情况，改进了温度传导、隔热和内部处理程序将介质可检测温度提升到100℃而解决了问题。通过筛选、对比，使用SIY-Ex-50隔爆型一体式流量传感器能较好地使用在现场混装炸药车乳化基质泵送流量监测和断流报警环节。