硕士论文-天然气弯管流量计的研究和设计.pdf

天津大学 硕士学位论文 天然气弯管流量计的研究和设计 姓名：周振江 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：沈保锁;葛志华 20090401 中文摘要 天然气作为一种优质能源和化工原料，其流量计量越来越受到人们的重视。欧美等 工业化水平较高的国家，对天然气流量计量技术的研究起步较早，投入的资金及科技力 量较大，取得了一系列的重大研究成果。我国在天然气流量计量技术方面也做了大量研 究工作，制定了多个重要的天然气流量计量标准。但是，目前应用的天然气流量计，或 是在性能上，或是在精度上，或是在经济性上都存在着一定的局限性。 弯管流量计与其它的流量仪表相比，具有精度高、重复性好、无压力损失、适用范 围广等优点。但是目前弯管流量计还存在功能弱、可靠性低、扩展性差、开放性差等不 足之处。 本文依托我们承担的国家级重点火炬计划项目弯管流量计的研究，对弯管流量计进 行了理论研究和实验研究，在充分分析国内外天然气流量计量技术和弯管流量计的研究 现状的基础上，分析对比了各种理论的优缺点，给出了弯管流量计的数学模型，并研究 和设计了数控机床加工的弯管传感器。应用现代先进的新型单片机及外围器件、计算机 软硬件技术、现场总线技术，总结我们十几年弯管流量计研究和实际应用经验，开发了 一种具有m o d b u s 现场总线的，集弯管流量传感器信号采集、信号处理、天然气组分设 置、a g a 8 - 9 2 d c 计算方法天然气压缩凶子计算、流量积算仪于一体的智能天然气流量测 量仪表，对其进行了硬件设计、软件设计和抗干扰设计，使其功能、可靠性、扩展性、 开放性等方面均得到了极大提高。 本文源于工程实际，开发、研制出的基于m o d b u s 总线的天然气弯管流量计产品已 通过国家天然气流量计量站检定，并投入批量生产，目前已实际应用于天然气流量计量 的现场，应用效果良好。这不仅能有力地促进弯管流量计在天然气流量计量中的应用， 提高天然气流量计量的技术水平，而且对促进我国流量计量技术的发展和能源管理都具 有重要的意义。 关键词：天然气弯管流量计m o d b u s 单片机 a b s t r a c t n a t u r a lg a si sag o o dr a wm a t e r i a li ne n e r g yo rc h e m i c a li n d u s t r y , a n df l o w m e t e r so fi t r e c e i v em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i ne u r o p eo ru s a w h e r et h ei n d u s t r i a l i z e dl e v e l i sh i g h t h e s t u d i e so nn a t u r a lg a sf l o w m e t e r ss t a r t e de a r l i e r , h a v em o r ef u n d sa n ds c i e n t i f i cp o w e r , a n d g e tas e r i e so fi m p o r t a n tr e s u l t s al o to fr e s e a r c h e so nn a t u r a lg a sm e a s u r e m e n ta l s oh a v e b e e nd o n ei no u rc o u n t r y , a n ds e v e r a ls t a n d a r d i z a t i o n so fn a t u r a lg a sm e a s u r e m e n th a v eb e e n m a d e b u tn a t u r a lg a sf l o w m e t e r si nu s ec u r r e n t l yh a v es o m ed e f i c i e n c i e si ns o m ea s p e c t ， s u c ha si nn a t u r e ，o ri np r e c i s i o n ，o ri ne c o n o m y e l b o wf l o w m e t e rh a ss o m em e r i t sc o m p a r e dw i t ho t h e rf l o w m e t e r s ，s u c ha sh i g h p r e c i s i o n ，g o o dr e p e a t a b i l i t y , w i t h o u tp r e s s u r el o s s ，a n dw i d eu s i n gr a n g e b u ti ta l s oh a s s o m es h o r t a g e s ，s u c ha sw e a kf u n c t i o n s ，l o wr e l i a b i l i t i e s ，a n dl a c ko fe x t e n s i o na n do p e n n e s s t h i sp a d e rd e p e n d so nt h es t u d yo fe l b o wf l o w m e t e r , w h i c hi st h ei m p o r t a n tn a t i o n t o r c hp r o j e c t a n ds t u d i e st h ee l b o wf l o w m e t e ri nt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s o nt h es u 伍c i e n t a n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g nn a t u r a ig a sf l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dp r e s e n te l b o w f l o w m e t e rs t u d ys t a t u s t h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g sa m o n ga l lt h e o r i e sa b o u te l b o w f l o w m e t e ra r ec o m p a r e d t h em a t hm o d e la b o u ti ti sg i v e n , a n dt h ee l b o ws e n s o r sm a c h i n e d w i t hn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea r es t u d i e da n dd e s i g n e d a n da l s o 。a p p l i e dn e w t y p e a d v a n c e dm o d e r nm c ua n di t sp e r i p h e r a ld e v i c e s c o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t e c h n i q u e s ，a n df i e l db u st e c h n i q u e s ，a n ds u m m a r i z e do u rt e nm o l ey e a r sr e s e a r c h e so n e l b o wf l o w m e t e ra n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e s ，a l li n t e l l i g e n tn a t u r a lg a sf l o wm e a s u r e m e n t m e t e rw a sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sm o d b u sf i e l db u s ，a n di n t e g r a t e dw i t he l b o ws e n s o r ss i g n a l c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n g ，n a t u r a lg a sc o m p o n e n ts e t t i n g ，n a t u r a lg a sc o m p r e s s i o nf a c t o r c a l c u l a t i o nb a s e da g a 8 9 2 d c a n da c c u m u l a t i v ef l o wc a l c u l a t o r t h eh a r d w a r e ，s o f t w a r e a n da n t i i n t e r f e r e n c eo ft h em e t e rh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h em e t e r sf u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y , e x t e n s i o na n do p e n n e s sh a v eb e e ni m p r o v e d t h i sp a p e ri sd e r i v e df r o mp r a c t i c a le n g i n e e r i n g 。a n dt h ee l b o wf l o w m e t e rh a sb e e np u t i n t om a s sp r o d u c t i o na f t e rt 1 1 ec e r t i f i c a t eo fn a t i o nn a t u r a lg a sf l o wm e t e r i n g n o wt h e m e t e r sa r eb e i n gu s e di nn a t u r a lg a sf l o wm e a s u r e m e n tf i e l d sa n dg e t t i n gg o o dr e s u l t s t h i s n o to n l yp r o m o t e s 也ee l b o wf l o w m e t e r su s ei nn a t u r a lg a sf l o wm e a s u r e m e n ta n dh e i g h t e n s t h el e v e lo fi t sm e a s u r e m e n t b u ta l s oh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e si nt h ed e v e l o p m e n to ff l o w m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dt h ea d m i n i s t r a t i o no fe n e r g y k e yw o r d s ：n a t u r a lg a s e l b o wf l o w m e t e rm o d b u sm c u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：f 刃孺丑签字日期：z 矽年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权 墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 团扳江 签字日期：z 矿7 年夕月 日 签字日期：巧喀7 月7 日 第一章引言 第一章引言 1 1 国内外天然气流量计的发展状况 能源作为人类社会和经济发展的基本条件之一，历来为世界所瞩目。在能源领域， 人类经历了以薪柴为主和以煤炭为主的时代之后，从本世纪七十年代开始进入了以石油 为主的时代。随着经济和科学技术的发展，特别是人类对生活质量和生存环境要求的日 益提高，世界能源结构向低碳化演变，最终向无碳化发展。天然气作为优质、洁净的燃 料和原料，越来越引起人们的重视，加快天然气工业的发展，已成为当今世界能源发展 的大趋势。 随着天然气工业的发展其计量越来越被人们重视，欧美等工业化水平较高的发达国 家，对天然气计量技术的研究起步较早，投人的资金及科技力量较大，尤其是对贸易天 然气的计量十分重视。从流量计选型上，欧洲主要使用涡轮、腰轮流量计，如在荷兰涡 轮、腰轮流量计的使用约占8 0 ，在加拿大涡轮、腰轮流量计的使用约占9 0 ，而美国 则以使用孔板为主，约占8 0 。从整体上来看，在天然气流量计使用上，7 0 年代形成了 孔板流量计使用高潮，8 0 年代形成了涡轮流量计使用高潮，9 0 年代中后期则掀起了超 声波流量计使用热潮陋1 。 我国在天然气流量计量技术方面也做了大量研究工作，制定了s y t 6 1 4 3 2 0 0 4 天 然气流量的标准孔板计量方法、g b t 1 1 0 6 2 1 9 9 8 天然气发热量、密度、相对密度和 沃泊指数的计算方法、g b t 1 8 6 0 3 2 0 0 l 天然气计量系统技术要求和g b t 1 8 6 0 4 2 0 0 1 用气体超声流量计测量天然气流量等重要的天然气流量计量标准，但这些标准尚没 有覆盖天然气计量的各个方面，特别是在天然气贸易计量中缺乏天然气计量系统统一 的、系统的技术标准“ 1 。为了适应我国天然气工业的发展和日益国际化的需要，必须加 快我国天然气计量标准与国际接轨的步伐，同时要加强天然气流量计量技术的研究，研 究、开发出功能完善的新型天然气流量计。 第一章引言 1 2 目前主要天然气流量计的应用情况 目前，应用于天然气流量计量的流量计主要有孔板流量计、气体涡轮流量计、气体 腰轮流量计、气体罗茨流量计、涡街流量计、旋涡流量计、超声波流量计等h 3 。 ( 1 ) 孔板流量计 孔板流量计是目前采用较多的流量计，它是通过测量孔板前后的压差来计量流量的 装置。 孔板流量计的优点是：适用于较大口径管道的计量；结构简单，安装容易；无可动 部件，性能可靠，耐用；应用历史悠久，标准规定最全；按标准制造的孔板不需要标定； 价格便宜。 孔板流量计的缺点是：尺寸一定的孔板流量计测量范围有限( 3 4 ：1 ) ；压力损失 最大( 2 5 5 0 ) ；计量准确度受安装条件影响很大；前后直管段要求长，占地面积大： 计量准确度受人为因素影响大；安装、使用、维护不便，容易泄漏；孔板入口直角锐利 度易被流体冲刷钝化，严重钝化可导致流出系数偏离1 2 。 ( 2 ) 气体涡轮流量计 气体涡轮流量计是用气体推动流量计的转子转动，通过测量转子转动次数来计量气 体流量的一种装置。它的可调范围大( 随着输气压力增高，其可调范围也随之增大) ， 测量精度高( 其精度可控制在1 ) ，压力损失小，体积小，结构简单，重量轻，维修较 方便，检定周期可达1 年。但是涡轮流量计的安装要求高，涡轮流量计由于设计结构、 加工精度及材质等方面的原因，对流体清洁度要求高，易受流体物性影响，叶轮轴承易 被介质中杂物磨损或卡死，还受流体速度分布影响和流动脉动影响，有活动件，轴承磨 损使特性偏移。涡轮流量计现场使用效果不太理想，因此在油气田中使用不多。 ( 3 ) 气体腰轮流量计 气体腰轮流量计是一种容积式流量计，其基本测量原理是周期性地充满或排出一个 或几个计量空间的气体，以此来测量气体的体积流量。气体腰轮流量计测量精度高，可 靠性好，不需要直管段，量程比较大( 1 0 ：1 ) 。但是由于结构上的原因，要求安装时壳 体不能承受管线的各种应力，且要求介质非常干净，否则转子易卡住，转子卡住就意味 着停输，这造成的经济损失往往是不可估量的，这是不允许发生的，因此，腰轮流量计 的应用受到一定限制。另外由于大口径流量计特别笨重，故很少使用，现场上主要用在 2 第一章引言 小口径上进行计量。 ( 4 ) 气体罗茨流量计 气体罗茨流量计也是一种容积式流量计，国内使用率较高，故障率低，具有一定的 优越性。其对流场没有严格要求，介质中含有杂质对计量影响不大；量程比大( 2 0 ：1 ) ， 基本适应现场气量变化范围要求；测量的数据可由表头直读，也可以远传给微机，使用 方便。由于流量计转子与壳体之间间隙小，大于间隙的颗粒杂质不能通过，因此容易卡 堵。由于该流量计为容积式仪表，计量腔积液会降低计量精度。 ( 5 ) 涡街流量计 涡街流量计无可动部件，稳定可靠，使用寿命长，维护量小，压力损失小，量程比 大( 1 5 ：1 ) ，在石化行业应用较广，在油气田气体贸易计量中也有适量应用。但由于其 对雷诺数有要求，使其使用范围受到限制。国内涡街流量计大多采用应力式压电晶体检 测元件，抗干扰性能差，不适合在有振动干扰的管网中应用，作贸易计量的可靠性差， 因此，涡街流量计很少推广。 ( 6 ) 旋涡流量计 旋涡流量计插入管道中并垂直于气体流向，由此产生交替变换的旋转涡流并不断排 出，涡流生成频率是流速的函数，检测其生成的频率可测得流量。仪表常数可以由仪表 内几何尺寸计算得到，由于流体振动保持在流量计内，其流量系数几乎不受流量计前后 流体扰动的影响。该流量计都是按适当比例制造的，在测量平面内有效面积与总面积之 比对各种尺寸结构的旋涡流量计都是一样的，因此，仪表便于系列化、标准化。我国从 2 0 世纪8 0 年代末才开始对这种流量计的研究，但是总体技术水平落后于世界先进水平 不少，主要是检测振子与表体的密封方面、二次表的智能化等方面。这种流量计无运动 件，结构简单，传感器不接触流体，可靠性高，维护量小，用途广泛，且量程比大( 2 0 ：1 ) ， 在规定的雷诺数范围内输出频率信号不受流体的温度、压力、粘度及成分的影响，输出 频率信号与流速成线性关系。 ( 7 ) 超声波流量计 超声波流量计是测量超声波信号在管道内沿一定方向传输的时间来计算气体流速。 超声波流量计的测量值不受管内气体温度、压力及组分变化的影响，准确度高，可达 0 5 ；测量范围宽，一般为3 0 ：1 ，大口径流量计可达1 0 0 ：1 以上；最大口径流量计可 做到1 6 0 0 m m 以上；无可动部件，坚固耐用；流量计可干校，干校准确度可达1 ；安装 第一章引言 维修方便，几乎没有压力损失，可测正输及反输气流。气体超声波流量计从2 0 世纪9 0 年代开始在天然气工业中得到应用，它的优异特性已引起同际上的重视，但它只适用于 中大口径，且价格昂贵。 通过对目前常用的天然气流量计的介绍我们不难发现，由于天然气计量的特殊性， 目前应用的天然气流量计或是在性能上，或是在精度上，或是在经济性上都存在着一定 的局限性，这就要求我们开发研制出适合于天然气计量要求的功能完善的新型天然气流 量计。 1 3 国内外弯管流量计的发展概况 弯管流量计的研究始于1 9 1 1 年，距今已有9 0 多年历史。前人对弯管流量计的研究 工作涉及了多方面内容，但是由于当时科学技术条件的限制，不可能对弯管流量计进行 系统的理论研究和高精度的实验研究，更不可能进行大规模工业生产和推广应用。 1 9 1 1 年7 月，美国的j a c o b s 和s o o y 在美国动力和气体杂志上发表的利用 弯管进行水流量测量的新方法，第一次提出了用弯管进行流量计量的方法。 1 9 3 6 年1 1 月，l a n s f o r d 发表了管道现有弯管测定管内流速的应用，介绍了4 5 0 方向取压弯管流量计的试验情况b 3 。1 9 3 8 年3 月，h a d d i s o n 在工程杂志上发表 了弯管作为流量计的应用，提出了以自由涡流法推导出来的理论流量公式阳3 ，并提出 一些有一定价值的应用数据表格。 1 9 5 8 年，美国的l k s p i n k 发表了弯管仪表的性能的文章，对弯管流量计的性 能做了详尽的分析，总结了提高其测量精度的准则，提出了流量系数的理论公式，并根 据试验情况修正n 1 。1 9 6 2 年，m u r d o c k 和g r e g o r y 在美国国家海军锅炉透平实验室( n b t l ) 进行了一系列试验，1 9 6 4 年1 1 月发表了弯管流量性能及特点的研究报告，分析了 弯管内径，管内流动状态，测压孔大小及位置等因素对测量精度的影响，并提出相应的 解决措施，但并没有从根本上解决流量系数理论值和试验值偏离较大的这一问题随1 。 我国对弯管流量计的研究工作从1 9 8 1 年开始，核工业的工程师史桦发表了我国第 一篇研究报告弯管流量计的流量计算阳1 。陆祖祥、宗秉惠、姚文华、何卓烈、童登 宏、秦绪斌等人先后发表了关于弯管流量计的多篇文章，从多方面拓宽了弯管流量计的 研究工作叭。 4 第一章引言 河北理工大学从1 9 8 8 年开始了对弯管流量计的研究工作，并列为了重点国家级火 炬计划项目，在前人研究成果基础上，借助现代数控机床加工技术、高精度微差压测量 技术、计算流体力学技术和计算机技术构筑的全新科学研究平台，经过2 0 年的持续研 究，在理论和实验研究方面都取得了突破性的进展，研制的“理智”系列弯管流量计已 广泛应用于热电、化工、冶金等多种场合，开始了弯管流量计大规模的工业应用的阶段， 有力地推动了弯管流量计研究和应用的发展n 。 1 4 弯管流量计的特点及目前研究应用现状 1 4 1 弯管流量计的特点 弯管流量计之所以得到认可和广泛应用，不仅因为其能满足工业自动化控制的需 要，而且其综合性能均优于传统的流量计，具有其它流量计不可比拟的优点n 引。 ( 1 ) 结构简单，价格合理 弯管传感器实质上就是一个9 0 。标准弯头，这是结构最简单的流量传感器，在流量 测量元件中再也找不出比它更简单、更实用的测量元件。随着机械加工技术的发展和行 业标准化、规范化管理的不断完善，目前弯管传感器可采用高精度数控机床加工而成， 其几何尺寸精度越来越高，尺寸一致性越来越好，成本越来越低，价格更趋合理，更容 易被用户接受。 ( 2 ) 无附加压力损失 由于弯管流量计独特的测量原理，它没有其它流量计一般必须具备的节流件或插入 件，因此弯管传感器内没有任何附加阻力，可以大大减少管路中由于安装流量仪表而增 加的压力损失，降低介质输送动力消耗，具有明显的节能效果。 ( 3 ) 适应性强、应用范围广、量程范围宽 弯管流量计除可以用于液体、气体和蒸汽的流量测量外，还可用于测量腐蚀性液体， 矿浆、泥浆和纸浆等脏污介质的流量。只要是可以用孔板、涡街、均速管等流量计进行 测量的流体都可以用弯管流量计进行测量，而且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐振动等 方面弯管流量计远远优于这些常用流量计。 量程范围宽，一方面是指弯管流量计的量程比可高达1 0 ：1 。同时，对被测介质的 第一章引言 流速范围没有严格的限制，被测介质流速上限只受工艺的限制，而不受弯管流量计测量 的限制。反之，如果使用高精度的微差压差压变送器相配合，则流体流速的下限也可很 小，弯管流量计应用现场的测量范围已达到2 0 ：1 以上。 量程范围宽的另一方面是指弯管传感器的几何尺寸几乎没有限制，管径可由1 0 毫 米到2 米以上，这一点对于一般的流量传感器是不容易做到的，即使能做到，其价格差 异也是非常惊人的。 ( 4 ) 精度高、重复性好、稳定性好 经过我们多年研究和实际应用确认，对于任何一个经过实流标定的弯管传感器其测 量准确度可达到0 5 级。对于严格控制几何尺寸的机加工弯管传感器在不经过单独实流 标定的情况下，其测量准确度可达到1 0 级。 重复性好是指弯管流量计具有很好的差压再现性，具有0 2 的优良的重复性性能 ( 再现性好) ，这是由美国机械工程师学会发表的。我们在大量实验中验证的重复性精度 更高，优于0 1 。弯管流量计具有很好的稳定性，对传感器磨损不敏感，而且耐高温、 耐高压、耐冲击、耐振动的性能优良，即使长期运行也能保证弯管流量计正常工作，保 证其测量精度不受影响。 ( 5 ) 安装、维修方便、长期运行免维护 弯管流量计安装方便，因为弯管传感器耐磨损，所以弯管传感器一般采用焊接法安 装，彻底解决了现场跑、冒、滴、漏等问题，这大大减少了维护工作量。弯管流量计在 测量含有杂质或腐蚀性溶液时，不易发生堵塞，清洗、检修容易，维护量小。 ( 6 ) 直管段要求不严格 直管段要求不严格也是弯管流量计在现场使用中十分重要的优点之一。一般流量测 量装置都因为现场直管段不能满足要求而不能进行测量或不能保证其测量精度，弯管流 量计由于其特殊的测量原理和我们研究的独特数学模型，在实际使用中对直管段要求不 严，只需保证前5 d 后2 d 即可。 1 4 2 弯管流量计的研究应用现状 理智系列弯管流量计是河北理工大学自主开发研制的，具有独立知识产权，居国际 先进水平n 。该产品获得8 项国家专利授权，1 9 9 9 年弯管流量计专利产品列入国家火炬 6 第一章引言 计划项目，2 0 0 1 年被列入重点国家火炬计划项目，是河北省第二届“十佳”软件产品。 目前，理智系列弯管流量计产品已在我国2 7 个省( 市) 、自治区得到了全面推广应 用，2 e _ , l k 现场在用的弯管流量计达上万台。弯管流量计应用行业包括电力、热电、供热、 钢铁、冶金、机械加工、化工、石油、造纸、烟草、食品加工等，应用的流体介质包括 水、液氨、农药、原油、渣油、柴油、酒精、食品油、蒸汽、空气、煤气、乙炔、氮气、 氧气、烟气等十几种流体介质。 弯管流量计的研究工作涉及了多方面内容，最终形成了弯管流量计的自由旋流理论 和强制旋流理论两个公认的经典理论体系，虽然它们均未能包含二次流、涡旋等内容， 可是，对以后的研究确实起到了原则性指导作用。 前人对弯管流量计大量的、细致的研究工作定位到实验研究，实验研究工作的核心 内容是围绕流量系数的结构和最终取值问题展开的，但是由于当时设备条件的限制，对 弯管流量计进行系统的高精度实验研究实际上是不可能的。故实验研究尽管得出了对于 每一台流量计经过单独标定可以获得很高的测量准确度，并且具有长期使用性能稳定、 重复性很好的正确结论，甚至已经应用于生产过程流量检测，但是对于不同的流量计其 实验得出的流量系数则很难统一，具有较人的离散性，难于解释。这些研究结果，实质 上限定了弯管流量计仅可以单台实流标定方可达到高精度的使用要求，而试图通过几何 检定( 象孔板流量计那样) 进行大规模工业推广应用则只能是低精度使用。弯管流量计 走入了需要深入研究的发展阶段，我们在弯管流量计应用方面展开了广泛的研究，做了 大量的工作，取得了一定的成果。 1 5 现场总线技术 现代工业对自动化仪表和控制系统的信号采集、传输、处理的速度、精度和可靠性 等方面的要求不断提高，模拟信号传输与处理技术在某些方面难以满足需要。随着微电 子技术的发展，使得数字传输技术成为可能，以微处理器为基础的智能技术和网络技术 在传感器、变送器、执行器和控制器中的应用日益成熟。同时信息技术的飞速发展，信 息交换从现场设备扩展到控制、管理的各个层次。现场总线口踟( f i e l db u s ) 就是顺应这 一形势发展起来的开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 7 第一章引言 1 5 1 现场总线介绍 现场总线是八十年代中期发展起来的一种先进的控制技术，它将当今的网络通信与 管理观念融入工业控制领域，从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接现场智能设 备和自动化系统的数字式、全分布、双向传输、多分支结构的通信网络，是通信技术、 仪表工业技术和计算机网络技术结合的产物。现场总线是当今自动化领域的热点之一， 它的出现标志着工业控制技术又进入了一个新的时代。 现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数 字计算和数字通信能力，使得通信延伸到现场生产设备成为可能。现场总线采用可进行 简单连接的双绞线等作为总线，连接现场设备与控制器，形成适应现代需求的、可以相 互沟通信息的、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。现场总线使现场设备与控制 系统有了通信能力，把它们连接成了网络系统，因此现场总线被誉为自动控制领域的计 算机局域网。 由于老式控制系统采用一对一连线，通过电压、电流的模拟信号进行测控，难以 实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实 现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就需要设计一种能在工业现场运行的、性能 可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场设备之间的多点数字通信， 实现现场底层设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。现场总线就是在这种需求 下孕育而生的，它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域的现场智能设备的 互连通信网络，沟通了生产现场设备之间及其与更高层控制管理网络之间的联系，为彻 底打破自动控制系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是开放的通信系统，又是全分布的控制系统，它以现场各个智 能设备为节点，以总线为纽带连接成为网络系统，并进一步构成网络化的自动化系统， 实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及管控一体化的综合 自动化功能，这是一项以智能传感器、计算机、数字通信网络为主要内容的综合技术。 1 5 2 现场总线的优点 现场总线标准将开辟过程控制的新纪元，现场总线将对传统的控制系统结构带来 根本性变革，现场总线将大大改变现有的实现控制和维护的全部方法。对于工业领域， 8 第一章引言 采用现场总线的最大优点是可大大节约连接导线、维护和安装费用。同时现场总线能够 传送多个过程变量，传统的4 - - - 2 0 m a 控制回路一般只能携带一个信号，通常为过程变量， 而采用现场总线后，在传输变量过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并 传送。数字信号的精确性是现场总线的又一个优点，数字信号 t 4 - - 一2 0 m a 模拟信号分辨 率高，因此，可消除过去在模数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场 智能仪表后也将成为可能，由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能 仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测，一个更为重要的方 面是仪表的兼容性可以使用户大大受益。 现场总线的节点是现场仪表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等，但它们不 再是传统意义上单功能的现场仪表，而是有综合功能的微机化仪表，每台仪表内都有一 台( 或以上) 微处理器，既有c p u 、内存、i 0 接口、通信接口等，有信号检测、变换、 放大、处理等模拟电路，还有数据采集、控制输出等模数混合电路，具有硬、软件结合 的技术优势和比传统仪表更为优越的性能。因此，现场总线技术将使工业仪表的发展产 生以下根本的变化。 ( 1 ) 用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向的模拟传输方式。 ( 2 ) 一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台智能仪 表的形式。 ( 3 ) 多功能的智能现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。 1 6 本文的研究目标和意义 流量计是过程自动化控制和贸易结算应用最重要的仪表之一，它被广泛应用于冶 金、电力、煤炭、化工、石油、交通、医药、农业及环境保护等国民经济各个领域，是 发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在 国民经济中占有重要的地位，特别是近几年来，随着我国工业的进一步发展，工业上对 科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益更加重视。流量计是能源计量仪表的重要 组成部分，越来越受到重视，它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。尤其我国正 加大开发利用石油天然气资源，西气东输工程的实施，贸易结算的需求，必将需要数量 极其庞大的精度高、功能强的天然气流量计。 9 第一章引言 弯管流量计是利用弯头在弯管内外侧产生的压力差来测量流量的差压式流量计，与 其它的流量仪表相比，具有安装简单、维护方便、无附加压力损失、运行能耗低、精度 高、适用范围广、重复性好等优点。 人们虽然对弯管流量计进行了大量的研究工作，并取得了一定的成绩，但由于当时 的技术水平和自身条件的限制，还存在一些不足，主要表现在： ( 1 ) 功能弱 目前国产的流量检测仪表一般只有转换、积算、记忆保存及显示等基 本功能，缺少网络通讯等高级功能。 ( 2 ) 运算能力低，人机交互能力差目前，国产流量仪表运算能力较低，如不采用 先进的程序设计方法，一般不能实现a g a 8 9 2 d c 计算方法天然气压缩因子的计算。另外， 现有国产流量仪表多采用数码管显示，参数设置繁杂，不能适应天然气组分的输入设置， 这都制约了弯管流量计在天然气流量计量中的应用。 ( 3 ) 可靠性不高仪表设计存在不足，信号转换环节多，增加了信号处理的中间环 节和信号之间的连线，易引入干扰信号，影响仪表的检测精度和抗干扰能力。 ( 4 ) 开放性差，缺乏通用、标准的网络功能 目前市场上的流量计网络通讯接口一 般只配置r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等串行接口，通讯协议各不相同，缺乏统一的数据通讯和校 验等协议标准，因此，难以满足用户开放性、易组态的要求。 依托我们承担的重点国家级火炬计划项目弯管流量计的研究，采用现代数控机床加 工技术、现代新型单片机及各种新型集成电路芯片技术、现代高级语言及编程方法及现 场总线技术，研究开发新型的智能弯管流量计仪表恰恰能够弥补以上的不足。 本文研究开发的基于m o d b u s 总线的天然气弯管流量计正是一种精度高、功能强、适 用范围广的流量计，这种具有现场总线功能的天然气弯管流量计以单片机、各种新型集 成电路芯片为核心进行设计，因此可充分利用单片机系统良好的软硬件资源达到增强仪 表功能、提高测量精度、可靠性及开放性的目的。因此，本项目的开展不仅能有力地促 进弯管流量计在天然气流量计量中应用，提高我国天然气流量计量的技术水平，而且对 促进我国流量检测技术的发展和提高能源管理水平都具有重要的意义，具有广阔的应用 前景。 1 0 第_ 章弯管流景计的测量原理及m o d b u s 总线技术 第二章弯管流量计的测量原理及m o d b u s 总线技术 2 1 弯管流量计原理介绍 弯管流量计与孔板流量计一样，属于差压式流量计范畴，其基本原理是通过测量流 过弯管的介质在弯管内侧和外侧产生的压力差来测量介质流量。 弯管流量计是差压式流量计的一种n4 | 。稳定流动的流体通过弯管时，由于流体流动 方向的改变而产生离心力，此离心力作用在弯管的内、外侧壁上产生压力差，曲率半径 一定的弯管，在离开曲率中心最远位置和最近位置上所测压力之差的平方根与流体的流 速成正比，因此通过测量这一压力差并经过换算就可以得到流体的流速，这就是弯管流 量计的基本原理。 2 2 弯管流量计理论 经典的弯管流量计理论是以自由旋流理论和强制旋流理论为代表，这两个理论体系 从不同角度入手，描述了弯管流量计的特征参数之间的关系。这些参数是：弯管中心线 曲率半径r 和弯管内径d 、流体密度p 、流体平均流速矿和流过弯管时产生的内外侧压 力差p ( 外侧为高压，内侧为低压) 这五个物理量之间的关系1 。 2 2 1 自由旋流理论 自由旋流理论认为弯管中的流体是绕弯管的曲率中心作自由旋转运动，流体在管内 未被施加力矩。自由旋流理论的基本流体力学理论是基于欧拉方程建立的伯努利动力学 方程。该理论认为当流体流经弯管时，流入弯管的流体将沿着阻力最小的路径由弯管的 上游侧流向弯管的下游侧，由于弯管内侧路径较外侧短，因此，流体流经弯管时其内侧 的流速高于外侧的流速，流体产生离心力，使弯管同一直径的内外两侧产生压差，该压 差与流量有关。自由旋流理论流速模型如图2 - 1 所示。 第二章弯管流量计的测量原理及m o d b u s 总线技术 图2 - 1 自由旋流理论流速模型 h o r b o r t a d d i s i o n 先生在对弯管4 5 。截面流体流速作了如图2 - i 所示具有梯形速度 分布的设定后给出了由式( 2 1 ) 表达的基本原理数学方程式( 自由旋流理论方程) 哺3 。 矿：一(xz-1)(x-x29(x2-1)ap) ( 2 1 ) - ，= ；= 一 厶一j 、lx 式中v ：流经弯管的平均流速( m s ) p ：压力差( ap = p l p 2 )( p a ) x ：弯管中心线曲率半径与二分之一内径的比值x = 2 r d g ：重力加速度( m s 2 ) 该式在阐明了通过测量弯管内、外侧压力差实现流量测量的原理同时，也明确了这 种流量计对其物理模型的依存关系，并且具体化为由结构尺寸参数x 构成的一个复杂组 合表达式，参数x 表征了弯管的弯曲程度，是一个特征结构尺寸参数。 2 2 2 强制旋流理论 强制旋流理论认为弯管的管壁对流体有一定反作用力，流体在弯管内的运动符合动 量原理。强制旋流理论认为：当流体流经弯管时，可将流体的旋转运动近似认为如同刚 体的旋转运动，而引起流体作旋转运动的外力来源于弯管管壁的表面作用，这个作用力 迫使流体作向心加速运动，从而实现了流体的旋转运动。强制旋流理论流速模型如图2 2 所示。 1 2 第二章弯管流量计的测晕原理及m o d b u s 总线技术 图2 - 2 强制旋流理论流速模型 l k s p i n k 先生在总结以前研究的基础上在其著作中采用了由式( 2 - 2 ) 表达的数学 方程式表达其工作原理( 强制旋流理论方程) 盯3 。 汹邡捂彦 2 ， 式中p ：流体介质密度 ( 姆m 3 ) p ：压力差( p = p l p 2 ) ( p a ) r ：弯管中心线曲率半径( m ) d ：弯管直径 ( m ) 2 3 理智系列弯管流量计的研究成果 前人对弯管流量计的研究工作涉及了多方面内容，但是由于当时科学技术条件的限 制，不可能对弯管流量计进行系统的理论研究和高精度实验研究，更不可能进行大规模 工业生产和推广应用。由河北理工大学承担的国家级火炬计划项目对弯管流量计的研究 始于1 9 8 8 年，在前人研究成果基础上，借助现代数控机床加工技术、高精度微差压测量 技术、计算流体力学技术和计算机技术等构筑的全新科学研究平台，经过十几年的持续 研究，在理论和实验研究方面都取得了突破性的进展，并且研制出可测量多种工业常用 介质的弯管流量计，在国内已推广使用，有力地推动了工业流量计量的技术进步。 第= 章夸管m 量计的测量日m o d b u s 甚线拄术 2 3 1 理智系列弯管漉量计的理论研究成果 为了较好地描述流体流过弯管的全过程，深入研究其性能，我们应用计算流体力学 方法直接求解描述流体流动过程的三维欧拉方程的数值解，以期揭示弯管流量计的基本 理论原理1 。由于大量实验证明弯管流量计对于前后直管段的要求较低，因此，选择了 前后直管段均为1 0 倍管径长度的弯管流量计模型，如图2 3 所示。 图2 - 3 有限体积弯管网格划分 通过计算机直接隶解，其计算结果与实验结果能较好地吻合。由直接计算欧拉方 程的数值解进行动画仿真可见： ( 1 ) 流过弯管的流体主流动速度向量在弯管进口侧2 d 附近运新由等速流动状态转 变成了近似的梯形速度分布流动状态靠向弯管内侧的流体被加速，靠向弯管辨侧的流 体被减速在弯管中点4 56 横截面附近，该速度分布形式达到了极限状态内侧流速达 到最大值外侧流速达到最小值。在弯管出口侧，其主流动速度梯形分布的消失过程基 本与入口过程对称，最终消失在弯管后2 d 直管范围内然后转入截面各质点等速流动 的稳定流动状态。在实际应用中需考虑1 一扰件的影响，弯管流量计前后直管段长度应大 干4 d 。 ( 2 ) 对应( 1 ) 中所述流体流过弯管的主流动，弯管流量计的压力分布也基本是以 弯管4 5 。截面为中心的对称分布。 第_ 二章弯管流最计的测量原理及m o d b u s 总线技术 ( 3 ) 二次流是存在的，影响主要是在弯管流量计进、出口截面附近。由于进口与 出口的流体质点速度向量具有指向反相性质( 在进l j 侧指向内侧，在出口侧则指向外 侧) ，在4 5 。前后截面，其速度向量发生转向，因此二次流的影响接近于零，数值分 析表明该值小于主流动向量的0 5 。 ( 4 ) 通过对欧拉方程的数值求解和主流动速度的动画描述，可知弯管流量计的组 成除了9 0 。弯管主体外，其前后还应包括长度至少两倍于管径的直管段。并且弯管流 量计可近似看作是一种整流装置，任何流体在进入弯管后都将被整定成以上述( 1 ) 所 描述的以主流动为主的流动过程，这也从理论上解释了弯管流量计对前后直管段长度 要求较低的原因。 ( 5 ) 深入的理论研究计算表明，平均流速与4 5 。截面差压p 的对应关系符合平 方比例关系。 ( 6 ) 弯管流量计弯径比对流量系数的影响的理论计算表明，对同一管径的弯管流 量计，其流量系数随着弯径比的增大而增大，这与某些文献中传统的提法是不同的。 2 3 2 理智系列弯管流量计的实验研究成果 实验分两部分，一是在河北理工大学智能仪器厂d n 8 0 0 水流量标准装置上进行的， 检定方法为标准表法和质量法，标准表的标准溯源采用质量法。装置的不确定度：标 准表法优于0 2 ，质量法优于0 1 。检定介质：洁净水。该部分实验采用我厂的专利 产品机加工弯管传感器，对弯管流量计的流量系数、压力分布等进行了大量的实验， 比较了不同管径的9 0 。弯管流量计4 5 。取压的流量示值误差及流量系数变化规律。 二是在国家流量定点检测站进行定型实验和样机试验。其中在河北省技术监督局 系统试验两次，在烟台国家蒸汽流量检定站试验两次，在开封国家水大流量计量检定 站试验一次。实验确定了弯管流