（电力系统及其自动化专业论文）基于avr的变压器气体继电器检测系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fg a sr e l a yc a l i b r a t i o ns y s t e m b a s e do n 彳嘲 b y y a n gs h u a i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt a n gf a n g q i a p r i l 2 0 l1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 环匀f 巾 日期：z f 年f 月岁。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 环匀中日期：办年岁月夕。日 别醴q 拟弓醐九年，月 摘要 大型油浸式变压器是电网主体设备之一，它的可靠与否直接关系到电网的安 全和稳定运行。而气体( 瓦斯) 继电器是监测变压器内部故障必不可少的主保护 装置之一，它能瞬间反映变压器内部故障，从而快速切除故障设备，保证电网的 安全。 由于气体继电器长期运行在高温度、强振动和大磁场的情况下，易造成其工 况下降、动作值偏移整定值；且在其接线盒中积存水珠，使得气体继电器误动作。 因此，按照d l t5 4 0 1 9 9 4q j - 2 5 5 0 8 0 型气体继电器检验规程中的规定， 需定期对其进行检测。目前的检测方式陈旧、操作繁琐、测量范围较小、标准溯 源困难，且只能检测单一管径的气体继电器，再加上气体继电器非常笨重，拆卸 麻烦，不便于拆卸送检，所以给气体继电器检测带来了困扰。 为了解决以上困难，本文在分析国内外研究的基础上，提出了检测系统的两 种实现方法一一间接流速标定法和直接流速脉冲法。根据以上两种方法设计了系 统的总体实现方案，研究了以a v r ( a t m e l 公司开发的精简指令集高速8 位单片机) 处理器为系统核心的可行性，并在以上基础上根据系统各模块所需要实现的功能 完成了系统的硬件和软件设计。其中，着重对以a v r 处理器为核心的微控制单元 及其外围功能电路进行了电路开发和仿真。 检测系统的比对试验和重复性试验表明，该系统能够满足检验规程的要求， 对各种口径的气体继电器进行校验。同时间接流速标定测量更适合于现场就地校 验，能够方便流速值的调整；而直接流速脉冲测量更适合于试验室精确测量和周 期性比对。该装置具有便捷、快速、灵活、重复性好，精确度高等特点，并且可 在不拆卸标准流量计的情况下，运用流速修正仪对标准流速值进行修正，既节约 了送检成本，减少了劳动强度，又提高了工作效率，有很好的实用价值和应用前 景。 关键词：气体继电器；间接流速标定法；直接流速脉冲法；a v r ；重复性试验； 比对试验 a b s t r a c t l a r g eo i l - i m m e r s e dp o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em a i ns t r u c t u r e ，w h i c hi s d i r e c t l yr e l a t e dt ot h er e l i a b i l i t yo fs a f eo p e r a t i o no ft h eg r i d a n dt h eg a sr e l a yi s o n eo ft h e i n d i s p e n s a b l em a i np r o t e c t i o nd e v i c ew h i c hi se s s e n t i a lt om o n i t o r i n t e r n a lf a u l t ，o n em o m e n ti tr e f l e c t st h et r a n s f o r m e ri n t e r n a l f a u l t ，e n a b l i n gr a p i d r e m o v a lo ff a u l t ye q u i p m e n t ，t oe n s u r eg r i ds e c u r i t y h o w e v e r ，g a sr e l a yr u n si nh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hv i b r a t i o na n dh i g hm a g n e t i c f i e l d s al o n gp e r i o dr u n n i n g ，w h i c hi s e a s yt oc r e a t et h ec o n d i t i o n sd e c l i n e t h e a c t i o nv a l u eo f f s e t s e t t i n gv a l u e ；a n dt h ea c c u m u l a t i o no fw a t e rd r o p l e t si nt h e j u n c t i o nb o x ，m a k i n gt h eg a sr e l a ym a l f u n c t i o n t h e r e f o r e ，i na c c o r d a n c ew i t ht h e d l t5 4 0 - 19 9 4i n s p e c t i o nr e g u l a t i o no ft h eq j 一2 5 5 0 8 0t y p eg a sr e l a y t h eg a s r e l a y ，m u s tt ob ep e r i o d i c a l l yt e s t e d a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cg a sr e l a yd e t e c t i o nd e v i c eh a s m a n ys h o r t c o m i n g s ， s u s ha so u t d a t e dm e a s u r i n gm e t h o d s ，s m a l lm e a s u r i n gr a n g e ，c o m p l i c a t e do p e r a t i o n ， s t a n d a r d st r a c e a b l ed i f f i c u l t i e sa n dc a n o n l yd e t e c tas i n g l ed i a m e t e ro ft h eg a sr e l a y ， a n di t sh a r dt od e m o l i s h ，a n dn o te a s yt or e m o v et oi n s p e c t i o n ，s oi tb r i n g sp r o b l e m s t ot h ei n s p e c t i o no ft h eg a sr e l a y i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fd o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c h ，p a p e rp r o p o s e dt w od e t e c t i o ns y s t e mi m p l e m e n t a t i o n s i n d i r e c t f l o wv e l o c i t yc a l i b r a t i o nm e t h o da n dd i r e c tf l o wv e l o c i t yp u l s em e t h o d a c c o r d i n g t ot h ea b o v et w om e t h o d s ，t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e ma c h i e v e d ，a n dw e s t u d yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mo v e r a l li m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew i t ha v r m i c r o p r o c e s s o r ，a n db a s e do na l la b o v e ，w ea c h i e v e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n w h i c hi sa l lt h es y s t e mm o d u l e st h a tn e e dt o i m p l e m e n tt h ef u n c t i o n s a n dw e f o c u s e do nm i c r o c o n t r o lu n i ta n di t s p e r i p h e r a lf u n c t i o nc i r c u i td e v e l o p e m e n ta n d s i m u l a t i o nw h i c hi sb a s e do na v r m i c r o p r o c e s s o r t h er e p e t i t i v ea n dc o m p a r i n ge x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h e i n s p e c t i o nr e g u l a t i o n sr e q u i r e m e n t sa n dc a l i b r a t e sa l lk i n d so fg a sr e l a y m e a n w h i l e i n d i r e c tf l o wv e l o c i t yc a l i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti sm o r e s u i t a b l ef o ro n s i t es p o t c h e c k ，t of a c i l i t a t et h ea d j u s t m e n to ff l o wv e l o c i t yv a l u e s ；a n dd i r e c tf l o wv e l o c i t v p u l s em e a s u r e m e n t i sm o r es u i t a b l e f o ra c c u r a t em e a s u r e m e n ta n d p e r i o d i c c o m p a r i s o n t h ed e v i c ei sc o n v e n i e n t ，f a s t ，f l e x i b l ea n dh a sg o o dr e p e a t a b i l i t y ，h i g h i i a c c u r a c yc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di tc a nw i t h o u tr e m o v i n gs t a n d a r df l o w m e t e r ，a n du s i n g v e l o c i t yc o r r e c t i o na p p a r a t u st or e v i s ev e l o c i t yv a l u e so ft h es t a n d a r d ，i tb o t hs a v e d t h ei n s p e c t i o nc o s t ，r e d u c el a b o ri n t e n s i t y ，a n da l s ot oi m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c y ， a n dh a sv e r yg o o dp r a c t i c a lv a l u ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：g a sr e l a y ；i n d i r e c tf l o wv e l o c i t yc a l i b r a t i o nm e t h o d ；d i r e c tf l o w v e l o c i t yp u l s em e t h o d ；a v r ；r e p e t i t i v ee x p e r i m e n t ；c o m p a r i n g e x p e r i m e n t 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义1 1 2 气体继电器2 1 2 1 概述2 1 2 2 气体继电器的结构与动作原理2 1 3 检测装置研究现状。一4 1 4 本课题主要研究内容与结构安排4 1 4 1 本课题主要研究内容4 1 4 2 本论文的结构安排5 第二章气体继电器检测规程及测量原理 2 1 气体继电器检测规程6 2 1 1 密封性能试验6 2 1 2 用于信号的容积整定6 2 1 3 用于跳闸的流速整定6 2 2 流量测量的理论7 2 2 1 流量测量概述7 2 2 2 流量测量方法及流量计8 2 3 本文采用的流星计及测最原理1 0 2 3 1 间接测量法一1 0 2 3 2 直接测量法1 l 2 4 本章小结1 2 第三章检测系统的总体结构实现方案 3 1 间接检测装置一1 4 3 2 直接检测装置1 5 3 2 1 系统的组成及工作原理1 5 3 2 2 系统监测的信号及传感器1 7 3 3 本章小结2 0 第四章系统的硬件电路设计 4 1 系统的硬件设计原则2 l 4 2 系统的硬件结构2 2 4 2 微处理器的选择2 2 4 2 1a v r 单片机简介2 2 4 2 2a v r 单片机的选择2 3 4 2 数据采集及a d 转换2 5 4 2 1 采样保持电路2 5 4 2 1 数据的a d 转换2 6 4 3p w m 驱动电路一2 7 4 4 键盘、显示器接口一2 8 4 3 1 键盘接口电路2 8 4 3 2 显示接口电路3 0 4 5 本章小结3l 第五章系统的软件设计 5 1 软件的开发工具3 3 5 1 1i c ca v r 调试环境3 3 5 1 2a v rs t u d i o 开发环境一3 4 5 1 2p r o t e u s 集成开发环境3 4 5 2 信号的输入和a d 转换3 6 5 3p w m 方波信号的产生3 7 5 4l c d 的显示3 8 5 5 流速、容积试验一3 9 5 6 本章小结4 0 第六章系统的试验及结果分析 6 1 系统达到的技术指标4 l 6 2 试验步骤4 2 6 2 1 待测气体继电器的装卡4 2 6 2 2 测试接线一4 2 6 2 3 容积、流速以及密封性检测4 2 6 3 试验数据及分析4 3 6 3 1 比对试验4 3 6 3 2 重复性试验试验4 4 6 3 3 试验数据的分析4 5 第七章总结与展望 7 1 研究结论4 6 7 2 展望4 7 参考文献4 8 致j 射5 2 附录a 攻读学位期间发表的论文目录5 3 附录b 攻读硕士学位期间参加的相关课题5 4 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论弟一早珀了匕 随着我国国民经济的持续高速发展，各行各业对电力的需求不断增加，促使 我国电网规模不断发展，电力系统向超高压、大容量和自动化的方向发展。电力 变压器作为电力系统中的核心设备，负责电压变换、电能分配及传输，其正常运 行能够保证电力系统安全、可靠、优质和稳定的运行【l 。2 】。 电力变压器是电力系统中的核心设备，承担着电压变换、电能分配以及传输， 其正常运行是电力系统安全、可靠、稳定和经济运行的重要保障。随着我国电力 行业的迅速发展，电网规模不断扩大，电力变压器的单机容量以及安装容量随之 不断增加，电压等级也在不断的提高。因此，在电力系统正向超高压、大电网和 智能化发展的同时，提高电力设备特别是电力系统中大型油浸式变压器的运行的 经济型和可靠性，预防和减少变压器的运行事故，对电力行业的长远发展来说具 有极为重要的意义【3 珥j 。 变压器的内部故障对常规电气量型继电保护，如差动保护、电流速断保护、 零序电流保护等是不灵敏的。这主要是因为内部故障往往是从匝间短路开始的， 匝间短路虽然故障电流较大，但反映到电气量型保护测的电流却不大了。只有到 故障发展到多匝短路或者对地短路的时候，电气量型继电保护装置才动作跳开变 压器的各侧断路器，使变压器与电网一次隔离，而变压器的气体保护弥补了这一 缺陷。气体保护是变压器内部故障的主要保护之一，对变压器匝间和层间短路、 套管内部故障、铁芯故障、绕组内部断线以及油面下降和绝缘劣化等故障均能灵 敏动作，并能及时发出故障报警或者跳闸信号，使事故的发生频率减少，给设备 安全运行提供了强有力的保障。 气体继电器的动作可靠与否直接关系到变压器的安全可靠运行，属于强制检 定设备。按照d l t5 4 0 - 1 9 9 4q j - 2 5 5 0 8 0 型气体继电器检验规程中的规定 【l 】，需对继电器进行周期检验。目前国内的气体继电器检测装置大多采用压差法 脉冲测量法【2 5 1 测量流速，该方法检测精度差、测量范围小、操作繁琐、标准溯 源困难，且只能检测单一管径的气体继电器，再加上气体继电器较笨重，且拆卸 麻烦，不便于外送检测，所以给气体继电器检测带来了困扰。因此，研究一种既 适合于现场就地检测，也适合于试验室精确校准的气体继电器性能检测系统，可 以缩短变压器检修工期，提高工作效率以及系统运行的安全性与可靠性，具有较 高的应用价值。 2 气体继电器 2 1 概述 在油浸式变压器中，变压器油既作为绝缘又作为冷却介质，变压器内部在发 短路故障时，局部高温会在故障点产生，使油温升高并且体积膨胀，甚至可以 到沸腾，油内溶解的空气就会被迅速排出，从而变成气泡上升；故障点产生出 电弧，使绝缘物或者变压器油分解出大量的烃类气体。排出气体的多少，与变 器内部故障的性质和严重程度有关。利用这种原理来实现保护的装置，称为气 保护。 气体继电器又可以叫作瓦斯继电器，它能及时反映变压器内部得各种故障， 变压器的安全和稳定运行起着至关重要的作用。气体继电器作为变压器内部最 本的保护装置，其结构简单，动作快，灵敏度高，能迅速反映变压器油箱内绕 短路的情况，又由于其具有运行稳定，可靠性较高，安装简单等特点，所以气 保护一直以来被作为变压器内部的主保护装置。依据g b t 6 4 5 卜1 9 9 9 三相油 式电力变压器技术参数和要求中的规定，对于容量在8 0 0 k v a 以上的油浸式电 变压器应该装有气体继电器，它可以监视变压器内部所发生的大部分故障，帮 运行、检修和试验人员预测事故和分析原因1 2 j 。 油浸式变压器内部发生的故障主要是用气体继电器监测的，在变压器发生匝 或层间短路、铁芯故障、绝缘材料劣化以及滤油、加油或冷却系统密封不严密 至空气进入变压器内部造成油面下降等等一系列故障均能可靠动作。当油浸式 压器发生内部故障时，由于电弧将会使绝缘材料分解并且产生大量的气体，其 烈程度随故障的严重程度不同而有所不同。气体保护就是利用反应气体状态的 体继电器来保护变压器内部故障的。 电力变压器的常规电量型继电保护，譬如差动、电流速断、零序电流保护等， 变压器内部故障反应不灵敏。其主要原因是内部故障往往是从匝间短路开始 ，虽然故障电流比较大，但反映到电量型保护测量的电流却并不大。只有等到 障发展到多匝或对地短路的时候，电量型保护才能动作跳开变压器各侧断路 ，使变压器与电网一次隔离，而变压器的气体保护弥补了以上不足。 2 2 气体继电器的结构与动作原理 目前国内使用的气体继电器大多是国产的q j 一2 5 、5 0 、8 0 系列以及德国e m b 司生产u r f 、b f 系列，其外观和内芯结构如图l 、图2 所示，其上半部分由开口 ( 浮子) 3 、重锤4 、磁铁6 和干簧触点1 0 构成用于信号的气体容积装置；下半部 由挡板5 、弹簧8 、调节杆9 、磁铁6 和干簧触点1 0 构成用于跳闸的流速装置。顶 上的气塞l 提供给安装时排气以及运行中抽取故障气体时使用，探针2 提供给检 2 查跳闸机构的灵敏性和可靠性时使用。 图i 1 气体继电器外观图 1 气塞2 探针3 开口杯4 重锤5 挡板6 磁铁 7 接线端子8 弹簧9 调节杆1 0 干簧接点 图1 2 气体继电器内芯结构图 气体继电器正常运行时其内部充满变压器油，开口杯( 浮子) 处于图2 所示的 倾斜位置。当变压器内部发生轻微的故障时，变压器油分解出少量气体，产生的 气体聚集在继电器上部的气室内，迫使油箱内油面下降，开口杯随之下降到吸合 位置，磁铁使得于簧接点吸合，接通信号回路，发出轻瓦斯报警信号；如果油箱 内的油面下降，同样可以接通信号回路，发出报警信号。当变压器内部发生了严 重故障，油箱内压力瞬时高升，将会出现油箱向油枕方向的油流涌浪，冲动挡板。 3 挡板旋转到某一整定位置时，磁铁使干簧接点吸合，接通跳闸回路，不经预先 警从而直接切断变压器电源，从而起到了保护变压器的作用。 3 检测装置研究现状 为了规范气体继电器的校验工作，国家电力部早在1 9 9 4 年4 月1 1 日，批准 d l t 5 4 0 1 9 9 4 q j 2 5 、5 0 、8 0 型气体气体继电器检测规程( 以下简称规程) ， 程的推出，对提高气体继电器的出厂质量以及统一气体继电器的检测设备起到 积极的作用。规程中规定的气体继电器为全国统一的设计标准一一q j 2 5 、q j 5 0 及q j 8 0 型气体继电器，而检测设备规定的是l s ( 东北生产) 以及r l c ( 云南 产) 。这两种试验台的结构以及选用的均按流体动力学的要求设计，并且对不 口径的继电器用流速修正系数进行流速修正。但随着国内产品的技术改进和国 产品的引进，原规程中的修正系数只能对q j 型的气体继电器提供有效的修正， 果产品改良或者对于一些进口继电器( 如e m b ) 就不适用了，所以原规程已经 来越不适用于现在的气体继电器的检测要求了。 规程中由于气体继电器对变压器状态检修工作提供了良好的指示作用，目 ，国内一些电力科学研究院和修试公司在气体继电器检测装置的校验方法以及 备研制作出了大量的工作，在某些测试环节上可提供一些应用，但整体的检测 术还是比较落后的，当前国内的气体继电器检测装置有如下特点。 第一，只能针对某一口径的气体继电器进行校验，不能达到对气体继电器的 同生产厂家以及不同型号的气体继电器检测的全覆盖； 第二，校验台的流速标准由于长期运行，零位有漂移，必定会造成试验结果 偏差较大，而现阶段的校验装置大多不能完成流速标准的误差修订，影响了气 继电器的检测精度； 第三，虽然加入了微机控制，但自动化程度相对较低，在整个检测过程中继 器排气以及系统的回油都需人为参与，影响了系统的检测效率。 4 本课题主要研究内容与结构安排 4 1 本课题主要研究内容 本文根据气体继电器的间接测量原理和直接测量原理，基于a v r 高速单片机 台完成了气体继电器检测系统的研究设计方案。 所做的主要工作包括： ( 1 ) 对不同厂家、不同型号的气体继电器进行间接、直接流速的重复性试验， 结出国内绝大多数生产厂家不同管径气体继电器流速修正表。 ( 2 ) 设计满足系统要求的硬件电路。其中包括以a v r 高速单片机为核心的数据 4 采集、数据处理和数据显示电路以及系统所需的外围振荡、比较、存储电路。 ( 3 ) 分析系统所需要达到的功能，包括信号的监测、a d 转换、p w m 方波信号 的输出、l c d 显示等，完成系统的软件设计。 ( 4 ) 对间接检测和直接检测进行比对试验和重复性试验，评价两种方法的可 行性。 1 4 2 本论文的结构安排 第一章分析了气体继电器相比其他电量保护的优势，并介绍了它的结构和原 理，对国内外气体继电器的校验方法作出了分析。 第二章简要介绍了气体继电器的检测规程中的三个重要性能指标，以及流量 测量的方法及流量计，最后根据现场检测的实际情况，提出了两种实现本课题的 方法一一间接测量方法和直接测量方法，并分析了国内外的研究状况。 第三章为间接测量法和直接测量法的总体结构设计，特别针对直接测量法的 组成、工作原理、监测的信号、传感器的选取以及各元件的控制做了详细的介绍。 第四章给出了系统硬件的组成，并着重介绍了对微处理器的选择，数据采集、 a d 转换电路、变频器的p w m 控制以及键盘和显示器接口。 第五章为系统的软件设计，分析各主要功能模块程序的实现方法。 第六章给出了试验结果，并总结本课题研究所取得的成果及其不足，提出课 题进一步深入研究和应用的展望。 5 第二章气体继电器检测规程及测量原理 2 1 气体继电器检测规程 气体继电器是油浸式变压器的主保护装置之一，过去存在气体继电器口径不 统一或者各省市沿用内部行业的规程来进行选型和校验的问题。1 9 9 4 年1 0 月，电 力部发布了q j 一2 5 5 0 8 0 型气体继电器检验规程，对各个容量等级的变压器 选用继电器的口径以及气体继电器的校验方法作了统一规定。其中最重要的是继 电器性能试验规定。 2 1 1 密封性能试验 试验时，使继电器腔体内充满变压器油，在常温下，升高压力至0 1 5 m p a ， 压力保持2 0 分钟后，检查放气阀门、接线端子、壳体缝隙以及各密封处应当无渗 漏情况出现。降压至零后，取出继电器内芯，并仔细检查干簧管，应无渗漏的痕 迹出现。在试验时，排气阀必须拧紧，卸压后，才可以打开内芯检查干簧管有无 渗漏。 2 1 2 用于信号的容积整定 继电器的气体容积整定是要求轻瓦斯信号报警值在2 5 0 3 0 0 m l 的范围内可 靠动作。轻瓦斯容积报警动作值可调整开口杯另一侧重锤的位置来改变。轻瓦斯 容积试验需重复试验三次，并且要求在此范围内均能可靠动作。 2 1 3 用于跳闸的流速整定 ( 1 ) 流速整定范围 o j - 2 5 型：对于连接管直径为2 5 m m 气体继电器，流速整定范围为1 o m s ； o j - 5 0 型：对于连接管直径为5 0 m m 气体继电器，流速整定范围为0 7 1 2 m s ； o j - 8 0 型：对于连接管直径为8 0 m m 气体继电器，流速整定范围为0 8 1 5 m s 。 ( 2 ) 流速值整定 油流冲击继电器挡板使继电器发出冲瓦斯跳闸信号，不同容量、不同电压等 级、不同冷却方式以及不同连接管内径等的变压器气体继电器的动作流速整定值 可根据表2 1 查得；流速整定值的上、下限的具体数值，可根据变压器容量、系 统短路容量及变压器绝缘等具体情况而定。 6 表2 1 流速整定值表 继电器的动作流速整定试验必须在专用流速校验设备上进行，以在相同的试 验条件、相同的连接管内，以稳态动作时的流速为准，重复试验三次，根据标称 或者调整后的整定值，每次的试验值与其差值应不大于0 0 5 m s 。对于精度要求 较低的场合，也可用间接测试流速的专用测鼍器具测试流速值。气体继电器的动 作流速整定值可根据弹簧拉杆的长短来调节。 2 2 流量测量的理论 2 2 1 流量测量概述 流体通过某一截面的流量可定义为：流过该截面的体积或者质量与时间的比 值。其中，体积流量为体积与时间的比值；质量流量为质鼍与时间的比值。当流 体的流动是不随时间而变化的恒定流体，可以用流体在单位时间内流过一定横截 面的体积或者质量来表示流体流量。当流动为非恒定流体时，随着时间的推移， 流量是不断变化的。因此，可假设在微小时间间隔址内流速为恒定值，体积流 量和质量流量可用该微小时间间隔内通过的流体体积或质量来表示阳1 。 运用微积分原理，我们假设流体流过截面的某一微小面积为d s ，并且流体 通过该微小面积时的流速恒定，为y ，那么流体流过微小面积d s 的体积流量由， 为： 由，= ；厉 ( 2 1 ) 根据式2 1 ，我们可以对截面积s 求积分得出流体通过整个截面积的体积流 量q 一 7 g v = f 面 ( 2 2 ) 如果在整个截面上，各微小面积上的流速v 相同，则可由式( 2 2 ) 得： q ，= 谬 ( 2 3 ) 对于质量流量，可用流体体积流量和流体密度的乘积来表示。如果质量流量 为，并且流体的密度为p ，那么可得： q 。= p q ， ( 2 4 ) 或者 q 。= p v $ ( 2 5 ) 上述流量的定义为瞬时流量的定义。通常在工程应用当中，还经常需要对总 体流量进行计量，即一段时间内通过管道截面流体的累积流量。 接下来继续对累积流量与瞬时流量之间关系进行阐述。假设体积流量为吼， 而质量流量为q 。，那么，流体在时间间隔缸内流过的累积流量，可以用以下公 式来表示： 累积的质量流量： 瓯= f q 。, i t 累积的体积流量： q v = f q ，d t ( 2 6 ) ( 2 7 ) 那么，当流体流动为稳流时，流体密度p 为定值，则可由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 得出： 绒= g 。， ( 2 8 ) q v = q v f ( 2 9 ) 对上述关系式应用式( 2 - 4 ) 进行整理，可得： q = g 。，= 舶，f = p q v ( 2 1 0 ) 我们从累积流量关系式中可以推断出，测量累计流量，就是测量流体体积或 者测量流体质量。 流量计可以作为测量流量的仪器设备。根据流量计测量对象的不同，可以将 其分为两个大类一一体积流量计和质量流量计。专门测量体积、质量的流量的仪 器分别称之为体积流量计和质量流量计。在流体密度已知时，两种测量结果互相 之间可以转换。 2 2 2 流量测量方法及流量计 现代工业中的流量测量，采用了各式各样的测量方法，应用于各种不同的场 8 合和各种不同的测量目的，这些测量方法基于多种不同的测量原理，利用多种输 出信号变化来反映流体流量的变化。在流量检测时，被测对象由于其多样性和复 杂性，因此流量计的种类多种多样，且其结构特征、测量原理、适用范围以及使 用方法等都不尽相同。所以，在对其进行分类时，可按照不同的原则来划分，如 按输出信号，按测量对象，按测量目的，按测量原理，按测量方法以及按测量结 构分类等，至今为止也没有统一的分类标准。目前，流量计主要用来计量流体的 体积和质量流量。在此只讨论与课题相关的体积流量的计量。 ( 1 ) 差压式流量计 目前工业生产中广泛采用差压式流量计来测量气体、液体和蒸汽流量。其中 采用节流装置和差压计组成的节流式流量计是当前应用最普遍的。它的工作原理 是在充满流体的管道中放置固定的一个流通面积小于管道截面积的节流件，节流 件在通过流体时，会使流体局部收缩，从而导致在节流件的前后产生一定的压差， 在流体参数一定的情况下，节流件前后的压差与流量之间会产生一定的函数关 系。因此，流体的流量可通过节流件前后的压差来表示。这种方法具有两个非常 突出的优点： ( a ) 结构相对简单、安装较方便、工作可靠、成本低、并且具有一定的准确 度。 ( b ) 使用历史悠久，有丰富的、可靠的试验数据，设计加工已达到标准化。 ( 2 ) 容积式流量计 容积式流量计又可以称为定排量式流量计，其广泛应用于测量石油类( 如原 油、柴油、气油、液化气等) 、饮料类流体( 如食用油、酒类等) 、气体( 如氮气、 空气及煤气) 以及纯净水的流量。容积式流量计采用的是机械测量元件把流体连 续不断地分隔成为了已知的体积部分，并且通过对该体积部分地流体重复不断地 充满和排放，进而累加计量出流体的总量。容积式流量计的主要类型有：转子型、 刮板型、活塞氆等；还有其他各种结构，如：圆盘流量计、膜式气体流量计以及 湿式气体流量计等。 容积式流量计具有以下优点： ( a ) 准确度较高，在所有流量仪表中，容积式流量计的测量精度是最高的一 类仪表。其测量误差可以达到0 1 r 至0 5 r ( r 为读数误差) ，甚 至更高。并且容积式流量计的特性，决定了在其测量时一般不受流体状 态的影响，也不受限于受雷诺数的大小。 ( b ) 流量计对安装管道没有限制要求，可以是不规则的管道。 ( c ) 测量范围较宽，可用来测量高粘度液体。 ( 3 ) 速度式流量计 把测量流体流速换算成流体流量的流量计，我们把它叫做速度式流量。由于 9 其种类繁多，发展迅速，近年来被广泛应用。涡轮流量计、电磁流量计、涡街流 量计以及超声流量计等是目前比较典型和常用的流量计。 涡轮流量计，在速度式流量计当中是主要一个种类，它采用多叶片的转子( 涡 轮) 感受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。由于其测量精度非常 高，以至于可以与容积式流量计相媲美。 电磁流量计是一种感应式仪表，它是根据法拉第电磁感应定律来测量管内导 电介质体积流量的。导电液体在磁场中运动产生感应电动势，其电动势的大小与 流体的平均流速成正比。由于电磁流量计的测量元件在管壁外，并且没有流动压 损，所以它是一种既节能环保又可实现脏污、腐蚀流体测量的流量计。 涡街流量计主要是用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气 等多种介质。涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的，在流量计中安放多 个非流线型旋涡发生体，流体在通过三角柱的旋涡发生体后，产生上下规则、交 错排列的两列旋涡。雷诺系数在一定的范围内，旋涡的分离频率与管道内的平均 流速成正比。 声音在流体中传播时，流体的流速则会对超声束( 或超声脉冲) 造成影响，而 超声流量计就是利用的这种原理。它与电磁流量计一样，因仪表流通通道末设置 任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的流量计，特别在 大口径流量测量方面有较突出的优势，它也是近年来发展迅速的一类流量计之 2 3 本文采用的流量计及测量原理 考虑到本课题研究的检测装置要达到便携性，以及保证其准确度、溯源方便 等特性，等针对目前落后的检测手段，提出了2 种气体继电器流速测量方法。 2 3 1 间接流速标定法 间接流速标定法是一种气体继电器重瓦斯流速间接检测方法，它是利用固定 在瓦斯继电器挡板上的流速尺身和砝码因重力产生对挡板转矩，模拟等效在一定 流速下流体作用于瓦斯继电器重瓦斯挡板上的转矩，实现流速值的测量，如图 2 1 所示。 ( 1 ) 质量为m 的法码在尺长l ，处产生转矩为： m r = 厶m g ( 2 11 ) 其中：m r 为砝码所产生的力矩，单位为g f c m ； ，为砝码着力点的力臂，单位为c m ； m g 为砝码的重量，单位为g f 。 1 0 ， p 厂 ， 流速尺l v ， m ，、 图2 1间接测量法 ( 2 ) 流体作用于挡板的转矩 吮= f l = p 观 = v 2 j l i s l 2 9 ( 2 1 2 ) 其中：m ，为流体所产生的力矩，单位为g f c m ； 1 ，为流体的流速即莺瓦斯流速值，单位为m s ； 为流体的比重，单位为g f c m 3 ； g 为重力加速度，单位为c m s 2 ； s 为挡板的面积，单位为a m 2 ： 工为挡板的半径，单位为c m 。 用流速尺上砝码产生的力矩代替流体的冲击挡板的力矩，即 m ，= m l 经推倒后得： v = 九m ， ( 2 1 3 ) 其中：a = x 2 9 脱( 流体为变压器油，比重j l l 为0 9 9 f c m 3 ) 。 3 2 直接流速脉冲法 直接流速脉冲法是一种瓦斯继电器重瓦斯流速测量最直接的检测方法，它是 被校验瓦斯继电器卡装在与其口径相同的测试油路中，通过电控阀门调节油流 大小从而改变作用在瓦斯继电器挡板上的转矩，使瓦斯继电器挡板产生不同的 转，当达到一定的油流速度时瓦斯继电器挡板由于油流的冲击产生的偏转使重 斯节点闭合，再从涡轮流量计( 以下简称t u f ) 纪录下此时输出的频率信号， 就是瓦斯继电器的重瓦斯动作流速值，t u f 的结构以及剖面图如图2 1 和2 2 示。 1 紧固件；2 壳体；3 前向导件；4 止推片；5 叶轮 6 电磁感应式信号检出器；7 轴承；8 后向导件 图2 2t u f 的结构 图2 3t u f 的剖面图 导肉俘 卡拜 法兰 由以上两图可见，当被测流体流过t u f 时，流体