（控制理论与控制工程专业论文）基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，对于流量检测准确度的要求也越来越高，为了保证流量 仪表的准确测量，需要采用流量标定系统对其主要特性特别是准确度指标进行校验。本 系统是在辽河油田兴隆台采油厂原有流量标定系统的基础上升级改造的，在考虑装置的 经济性和精度的情况下，设计了基于涡轮流量计的流量标定系统。 本文首先对流量标定装置的标定原理进行了详细分析，在此基础上确定了本流量标 定系统的标定方法。其次，本文对流量标定系统的功能要求进行了全面的分析，确定了 标定系统的设计方案，完成了以标准流量计、数据采集系统、恒压供水系统和控制执行 装置为核心的硬件配置和以m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 语言和a c c e s s 数据库为工具的系统软 件开发。其次，系统通过标准表法和标准容器法来标定被标定流量计和标准涡轮流量计 的k 值。同时，本文提出一种基于开环的阀门开度自适应控制方法，通过在线曲线拟合 的方法提高阀门控制的精度。最后，对标定系统和被标定仪表的精度进行了分析和评定。 该套水流量标定系统结构设计合理、功能完善、使用可靠、操作简单、自动化程度 高，能够稳定可靠的完成过程控制和数据记录，克服了原有的流量标定装置存在的标定 精度和效率低等问题，满足仪表标定工作的实际需要，提高了流量标定的工作效率和标 定的准确性。该系统已于2 0 0 5 年底投产使用，目前运行稳定，工作良好。 关键词：标定系统；涡轮流量计；流量调节；自动标定 大连理 ：大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ff l o wc a l i b r a t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do i l t u r b i n ef l o w m e t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h i g h e rr e q u e s tt ot h ea c c u r a c yo ff l o w m e a s u r ei sp u tf o r w a r d i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ff l o w m e t e r ，f l o wc a l i b r a t i n gs y s t e m i sn e e d e dt ov e r i f yt h em a i nc h a r a c t e r se s p e c i a l l ya c c u r a c yo ff l o w m e t e r t h i ss y s t e mi sa r e c o n s t r u c t i v eo n eb a s e do nf o r m e rf l o wc a l i b r a t i n gd e v i c ei nx i n g l o n g t a io i le x t r a c t i o n f a c t o r yo fl i a oo i lf i e l d h 1c a s eo fc o n s i d e r i n gt h ee c o n o m ya n dp r e c i s i o n t h ef l o w c a l i b r a t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt u r b i n ef l o w m e t e ri sb r o u g h tf o r w a r d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em e t h o do ff l o wc a l i b r a t i n gb ya n a l y z i n gt h e p r i n c i p l eo fc a l i b r a t i n go ff l o wc a l i b r a t i n gs y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e sf u n c t i o n r e q u i r e m e n to fc a l i b r a t i n gs y s t e mi n a l la l l r o u n dw a ya n dh a v ed e s i g n e dt h es c h e m eo f s y s t e m t h i sp a p e rc o m p l e t e ss y s t e m h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o nc o m p o s e db ys t a n d a r d f l o w m e t e r ，d a t as a m p l i n gs y s t e m ，w a t e rs u p p l ys y s t e mo fc o n s t a n tp r e s s u r ea n dc o n t r o ld e v i c e i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，t h es y s t e ma d o p t sm i c r o s o f tv i s u a lb a s i ca n da c c e s sd a t a b a s et o p r o c e s sm e a s u r ed a t a t h es y s t e mc a l i b r a t e sf l o w m e t e r st h r o u g hs t a n d a r df o r mm e t h o da n dk v a l u eo ft u r b i n ef l o w m e t e rt l - a - o u g hs t a n d a r dc o n t a i n e r m o r e o v e r , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da n a d a p t i v em e t h o do fc o n t r o lv a l v eb a s e do no p e n - l o o pa n de n h a n c e sm e a s u r ea c c u r a c yt h r o u g h c a l v ef i t t i n gm e t h o d a tl a s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n da s s e s s e st h ep r e c i s i o no fc a l i b r a t i n g s y s t e ma n dm e a s u r e df l o w m e t e r t h es y s t e mh a ss o m es t r o n g p o i n t sl i k er e a s o n a b l ed e s i g n ，a l l a r o u n df u n c t i o n s ，c r e d i b l e p e r f o r m a n c e ，s i m p l eo p e r a t i o na n ds oo n ，a n ds om e e t st h ea c t u a ln e e do fc a l i b r a t i n gp r o c e s s a n de n h a n c e st h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no f m e a s u r e t h es y s t e ms t a r t st ow o r kmt h ee n do f 2 0 0 5 ，n o wi tw o r k ss t e a d i l ya n dw e l l k e yw o r d s ：c a l i b r a t i n gs y s t e m ；t u r b i n ef l o w m e t e r ；f l o wr e g u l a t i o n ；a u t o m a t i e c a l i t i r a t e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丕4 垄日期：翌亟：! 三：17 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 丝年也月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 在工业自动化生产过程中，需要进行物质流量和数量测量的场合随处可见。流量是 经常测量和控制的参数，流体流量的测量对于节约能源，防止大气污染及实现生产过程 自动化是必不可少的。随着生产技术的发展。对流体流量和总量的测量和测试提出了越 来越多，越来越高的要求，需要检测的液体的介质也越来越多，为此人们根据不同测量 对象的物理性能，运用不同的物理原理和规律，设计制造了各种类型的流量仪表，并将 其应用于工艺流程中配比参数、调节控制、实现工业能源计量。为了保证流量仪表的准 确计量，流量计在出产前、使用中、维修后都需要标定n 】。 然而，影响流量计特性的因素很多，除了仪表本身的设计参数和结构之外，液体的 流动特性，工作状态都与之有着密切的关系，同时，由于现场流量计的使用条件千变万 化，建立与现场条件完全一致的条件是很困难的，因此，需要选定其共性条件，建立标 定装置，运用理论和实践相结合的方法解决使用条件下的问题。 本课题旨在利用计算机控制系统进行参数的检测和控制从而达到自动采集数据、自 动检定、自动出具报表的目的。 1 2 流量计标定装置的分类 由于流量计在制造工艺、装配工艺上存在的差异以及具体使用条件和被测介质的不 同，一般来说。制成后的流量计都需要进行标定，长期使用的流量计也应进行定期标定。 另外，当流量计经过更新维修后，也应进行重新标定1 2 】。 对流量计进行标定的标定装置，根据标定介质的不同可分为液体流量标准标定装置 和气体流量标准标定装置。如果按液体流量标准标定装置用的标准容器的形式分为容积 式、称量式、标准体积管式和标准流量计式。液体流量标准标定装置如图l ，l 所示： 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 图1 1 流量检定装置分类系统原理框图 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no f t h ef l o wc a l i b r a t i n ga p p a r a t u s ( 1 ) 称量法 称量方式的标定方法【3 】是用称量代替带有刻度的容器，可以分为停止法和动态法两 种。所谓的停止法是指在一定的时间内使被测液体从标准流量计流入称量容器中，在液 体完全停止流动后测出被称量容器中液体的质量，然后根据液体的密度来计算体积，最 后确定流量计的流量。所谓的动态法就是边记录时间边测量液体的质量，并且液体不停 止流动。 在这两种方式中，如果用称量得到流入被测量容器中的被测液体的质量为肌，流入 这些液体需要的时间为t ，空气的密度为扁，流过被标定流量计的液体的密度为p ，则 流过被标定流量计的准确流量q j 可以用下面的表达式求出：q = m ( 1 + p o p - ) n 式中的p o p 是空气浮力的修正值【4 】。 称量法适用于小口径的流量计，对5 0 m m 口径流量计进行检测，称量重量近一吨， 一般装置无法精测。 ( 2 ) 标准表法 标准表法是现场标定流量计的一种方式。所谓的标准表是事先经过精密标定的流量 计，故该方式就是采用标准流量计标定非标准流量计的方法，被标定流量计与标准流量 计串联在管道上，使试验液体依次流过两个流量计，通过比较两者的测量显示值来求出 误差。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 标准流量计法是一种在线标定方式，标定时不会影响到生产的正常进行，而且用标 准流量计法标定流量计，不需要知道温度和压力对被检流量计的影响，也不需计算出由 温度和压力对被检流量计产生的误差，可以直观地从标准流量计上看出被检流量计的误 差，起到标定的作用。用标准流量计法标定流量计，能够提高标定流量计的效率，操作 方法简单，但由于用标准流量计进行标定，被检流量计的精度要取决于标准流量计的精 度，受到标准流量计精度等级的限制，因此标定精度较低。 ( 3 ) 标准体积管式标定法 当不可压缩的单相液体稳定地流过被检流量计和体积管时，根据液体的连续性定 理，单位时间内流经流量计的液体，等于单位时间内流经体积管的液体。因此，标定球 在两个检测开关之闯移动时所置换出来的体积量等于相应时间间隔内流经流量计的体 积量，两者相比较即可确定流量计的示值误差。 使用标准管法标定流量计最大的优点是可以使流量计在使用状态下进行标定，因而 不必拆卸和停止生产。这样对于要求流量计连续工作的场合，用标准管法标定流量计是 一种很好的方法，但由于标准体积管的机械结构，标准体积管适合于低流速、高粘度的 液体。 “) 容积式标定法 利用容积式标定法标定流量计是一种常用的方法，用泵把试验液体从贮液槽中打入 水塔，从水塔下来的恒压的试验液体通过被标定流量计进入标准容器，该容器刻有能准 确求出液体体积的刻度，从玻璃管的刻度上读出在一定时间内进入标准器的液体的体 积，然后将此体积与被标定流量计的示值进行比较，就能求出标定流量计的误差。 在这种情况下，有两种标定方法：一种是一边让试验液体以一定的流量流入标准容 器中，一边读出玻璃管内的液面上升量，即所谓的动态校验法；另外一种方法是让一定 体积的试验液体流入标准容器，测量从开始流入到停止流入的时间，这就是所谓的静态 校验法。 利用容积法标定流量计时，只要能够准确的测量出液体的体积和流过这些液体体积 所需的时间，就能准确的计算出流量计的平均流速。对于静态容积法其标准容器误差为 詈，当v 越大时，容器误差越小，因此静态容积法要求标准容器的体积v 足够大；同时 r 需要有一稳压源以保持系统的压力稳定。这种标定方式占地面积比较大，基础设施投资 高，但其检定精确度高f 5 j 。 基于涡轮流晕计的流量标定控制系统的研究 1 3 流量标定装置的组成 标定系统中的液体由于受压且流动，始终处于运动或不稳定的状态之下，因而液体 本身不能作为标准的实体来进行量值传递，其量值的传递都是借助于测量流量的装置， 这种担任量值传递任务的装置，称为流量标定装置。 由于当前的技术水平还很难按流量定义直接做出流量单位的基准器，通常采用导出 的方法：以某个稳定的流量g 向容器内连续注入液体，准确确定注入的开始时刻f 1 和停 止时刻砭，同时准确测量r = 2 间隔内容器中积存的液体流量( q ) ，即可计算出平均 流量。实现这一操作过程的一整套系统，就是复现流量单位量值的基准和标准。这套系 统包括：液体源( 一般为水，空气和油及输送设备) 、稳压装置( 水塔或稳压容器) 、 管路系统、计时器和称量秤( 或标准容器) 以及换向器等附属设备。该系统可以使两个 流量计串联接入比较示值，也可以用若干台标准流量计并联与被检流量计串联接入比较 示值。 液体流量标准装置系统原理图【6 1 如图1 2 所示： iaaji a 图1 2 液体流量标准装置系统原理框图 f i g 1 2b a s i cp r i n c i p l eo f t h ef l o wc a l i b r a t i n ga p p a r a t u s 框内各组成部件用途如下： ( 1 ) 液体注入和贮存装置：用以贮存试验介质，并将介质送入流量产生和稳压装置 中，如离心水泵，水池等。 ( 2 ) 流量产生和稳压装置：保证在管道的试验段能产生所要求的稳定流量，如水塔、 稳压容器等。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 流量计的试验段：包括安装流量计的前后直管段在内的液体流动管道以及伸缩 器、整流器等。 ( 4 ) 液体流量的标准计量器具：用于测量在某段时间内流过流量计的液体量如工作 容器、秤量器、温度变送器、液位变送器等。 ( 5 ) 排空装置：用以排空工作容器、称量容器、流量计试验管道中的水介质并将其 送回贮存装置如排水阀等 ( 6 ) 控制机构：调节试验管中液体的流量以保证流量标定装置按照预定的程序运行。 如换向器、调节阀等。 ( 7 ) 信息管理系统：用以测量检定时间间隔和流量计脉冲数，保证液体量、时间、 被检流量计的输出信号的同步计量，实现自动检定、数据存储、打印报表等功能。 1 4 流量标定装置的研究现状 随着科学技术的不断发展，工业生产越来越先进，对液体流量计量及测试提出了严 格的要求，测量准确度越来越高，测量条件也十分复杂在微电子器件应用十分广泛的 基础上发展起来的智能仪表，在测量的准确度、灵敏度、可靠性及自动化程度上都有了 质的飞跃，由此也对流量标定装置提出了更高的要求。 近些年来，微电子和微机技术应用范围不断扩大。微处理机在流量标定系统中的主 要应用主要有：第一，微机用于标定过程的自动控制；第二，微机用于检测结果的数据 处理。目前，微机在流量检定中的应用还主要限于数据处理。它又可以分为以下两个方 面：第一，许多较早的流量标准装置没有配备微机系统，对于这种标准装置，一般使用 常规的仪表记录数据，从而得到检定结果。第二，将微机和流量标准装置通过接口连成 一体进行实时的数据采集和处理，从而得到检定结果。显然，后者比前者具有更高的自 动化程度和使用操作的方便性，但它同样只用作数据处理。流量检定过程的自动控制则 是指流量、温度和压力等各参数的检测和阀门、换向器等执行机构的动作都是由微机控 制的自动测试系统。随着第三代自动测试系统的发展，它把计算机和测试系统更紧密地 结合了起来，融为一体。在这种系统中用微机直接参与测试信号的产生和测量特性的解 析，即通过计算机直接产生测试信号和测试功能。在第三代自动测试系统中已广泛使用 工业控制计算机来构建系统【7 】 1 5 本文的主要研究工作 基于涡轮流量计的水流量标定系统是一种利用静态容积法原理的标定系统，主要完 成如下的工作： ( 1 ) 分析流量标定装置的原理和方法。 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 ( 2 ) 完成基于涡轮流量计的水流量标定系统的总体设计方案。 ( 3 ) 进行硬件配置及软件程序的开发。 ( 4 ) 研究涡轮流量计和电动阀门的特性，提出了一种基于开环的阀门开度自适应设 定方法。 ( 5 ) 分析试验结果，论证检定系统的精度和稳定性。 大连理工大学硕士学位论文 2 基于涡轮流量计的水流量标定控制系统的构成原理 2 1 水流量标定系统的标定原理和特点 基于涡轮流量计的水流量标定系统是一种利用静态容积法原理【聊的标定系统，即是 以实际流量流过被校验仪表，再用别的标准装置( 标准流量计或流量标准装置) 测出流 过被校验仪表的实际流量，与被校验仪表的流量值作比较，或将待标定的仪表进行分度。 基于涡轮流量计的水流量标定系统以工业控制计算机为核心，以i s a 系列数据采集 卡和控制卡作为检测和控制模块，以电动流量调节阀作为流量控制执行机构，以激光打 印机为资料打印输出设备。通过数据采集卡把标准涡轮流量计信号进行前置处理后反馈 给计算机，然后计算机根据各流量点的流量通过过程控制卡输出相应的阀门控制信号， 从而实现由计算机直接控制流量的目的。此流量标定系统自动化程度高，能够稳定可靠 的完成过程控制和数据记录。由于操作软件设置了完整的中文提示，使操作变得非常简 便容易。电脑的运算及改变了以往的运算方法，使运算结果更精确，大大提高了流量标 定的工作效率和标定的准确性。 基于涡轮流量计的水流量标定系统的特点如下： ( 1 ) 此系统采用涡轮流量计作为标准流量计，涡轮流量计由于其高精确度，压力损 失小，测量范围宽，环境适应性强等优点，满足标定系统的可靠性和精度要求。 ( 2 ) 此系统以工业控制计算机为核心，以电动调节阀为流量控制执行机构，通过数 据采集卡采集涡轮流量计发出的脉冲信号，然后计算机根据各流量点的流量通过过程控 制卡输出相应的阀门控制信号，对流量进行控制并打印输出报表。 ( 3 ) 此系统提供标准的流量环境，通过此系统提供的数据，可以完成对速度式和容 积式等存储式液体流量计的标定。 ( 4 ) 此系统利用标准容器法，可完成对作为标准流量计的涡轮流量计的标定，保证 了标准流量计的精度和可靠性。 ( 5 ) 此系统采用了一种开环的阀门开度自适应方法，利用每次流量和阀门开合度的 数据，通过曲线拟合的方法提高了阀门的控制的精度和稳定性。 2 2 水流量标定系统的工艺过程 基于涡轮流量计的水流量标定系统的工作过程如图2 1 所示：蓄水池中存储的水， 经过水泵抽取打入稳压罐中，经过一段时间稳流后，水流流出稳压罐( 稳压罐的作用是 使水流尽可能的稳定，以保证测量精度) 。水流经过稳压罐后，进入模拟井，被测流量 计置于模拟井内，通过模拟井后，水流进入过滤器( 用于过滤水中的固体杂质，以免堵 一 一 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 塞细径流量计) 。经过过滤器后，管路分为三路，其中的每一路都由一个标准流量计和 一个电动调节阀组成。根据各个流量点的不同，计算机自动选择其中的一路，并调节该 流量的大小，其余两路电动阀关闭。 经过电动阀后，根据标定方法的不同，水流向两个不同的方向，当球阀4 打开，球 阀3 关闭时，水流直接流向蓄水池，此时系统采用标准表法标定被测流量计。当球阀3 打开，球溺4 关闭时，水流通过标准容器流回蔷水池，此对系统采用标准容器法标定标 准流量计。 图2 1 流量标定系统框图 f i g 2 1f l o wc a l i b r a t i n gs y s t e mf f d r t l e 2 2 1 标准表法 标准表法用来对被检流量计进行标定阴。该方法使用标准流量计作为标准对被检流 量计进行标定。此流量标定系统由三路标准流量计组成。这三路流量计量程完全相互覆 盖。当选定某一流量点时，只有一条管路导通，其余两条管道完全关闭，这样，流经模 拟并内被测流量计的水流量就和导通管路的水流量相等，由此，以导通管路的标准流量 计检测的流量值作为标准流量值，就可以对被测流量计进行标定。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 标准容器法 标准容器法主要用来对标准流量计进行标定，它是以标准容器作为标准对标准流量 计进行标定。此流量标定系统采用两个标准容器l 和2 。根据要标定的流量计的流量大 小，选定某一个标准容器作为主容器( 要进行标定使用的容器) ，另外一个标准容器作为 辅容器( 只起回流作用) 。标定开始时，由电动换向器控制水流通过辅容器流回蓄水池， 当流量达到稳定时，控制电动换向器转向主容器，并开始计时，当主容器中的水面到达 容器颈部显示标尺时，迅速把电动换向器换向辅容器，同时结束计时。由主容器的读数 可以计算出计时时间内流向主容器的水的体积，并由此可以计算出该流量点的流量值。 从而达到对标准流量计的标定。 该标定系统的两个标准容器的容积分别是4 0 0 l ，5 0 + 1 5 0 l ，在标定不同流量点时， 可以选用不同的标准容器作为主容器，以达到必需的检测精度。( 小流量时选用小容器， 大流量时选用大容器) 。 2 3 涡轮流量计概述 此系统采用涡轮流量计作为标准流量计测出流过被校验仪表的实际流量，与被校验 仪表的流量值作比较从而进行标定工作。 涡轮流量计是一种典型的速度流量计【1 0 1 。涡轮流量计利用流体流动推动涡轮转动， 流体流速与涡轮转速成正比，通过测量涡轮转速可得到流体流速进而得到流量值。在工 业上，可采用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体和气体的流量。这种流量计具有测量 准确度高、量程范围宽、线性好、脉冲输出等优点。 如图2 2 所示【】，涡轮流量计由涡轮流量传感器( 变送器) 和接收电脉冲信号的显示 仪表组成。通过磁电转换装置，将涡轮转数变换成电脉冲，送入二次仪表进行计数和显 示，由单位时间内的脉冲数反映出瞬时流量和累计流量。 图2 2 流量计的结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo f f l o w m e t e r 一9 一 一画 一i 1 一 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 2 3 1 涡轮流量计的计量原理 涡轮流量计的原理【1 习是：当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转， 其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期的改变磁电转换器的磁阻值，检测线圈 中的磁通随之发生周期性交化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号。 涡轮流量传感器的电脉冲信号的频率，( 次，秒) 与流过管道的体积流量吼( m 3 厶) 正 相关时，其比例系数即为传感器的仪表系数置( 倒舻) ，如式( 2 1 ) 所示： b f 吼 ( 2 1 ) 即 吼= 丢 ( 2 2 ) 在同一时间内，传感器发出的脉冲数与流过管道的液体体v ( m 3 ) 也成正相关， 其比例系统也为传感器的仪表系数k ( h z m 3 ) ，如式( 2 3 ) 所示： x = 苦 ( 2 3 ) 即 矿= 兰 ) 根据( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可以计算出液体的体积流量。 流量计的仪表系数与流量的关系曲线如图2 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 k o 图2 3 涡轮流量计特性曲线 f i g 2 3t u r b i n ef l o w m e t e rc h a r a c t e r q 由图可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段t 1 3 1 。线性段约为其工作段的 三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力， 流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器下线时，仪表系数随着流量迅速变化。压力 损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。传感器的仪 表系数由流量标定装置标定得出，它完全不问传感器内部流量的流动机理，把传感器作 为一个黑匣子，根据输入( 流量) 和输出( 频率脉冲信号) 确定其转换系数，便于实际 应用。但此转换系数( 仪表系数) 是有条件的，其检验条件是参考条件，如果使用时偏 离此参考条件，系数将发生变化，变化的条件将视传感器类型，管道安装条件和流体物 性参数的情况而定。 2 3 2 涡轮流量计的主要特点 涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表，多年来用于工业和实验室测量，一直得到 广泛的应用，其具有如下主要的特点【1 4 】： ( 1 ) 测量精度高。涡轮流量计的测量精度是指示值的0 0 5 - + 0 2 之间，在线性 范围内，即使流量发生变化，累计流量准确度也不会发生变化。 ( 2 ) 压力损失较小。在最大流量下其压力损失为0 0 1 - 0 i m p a 。 ( 3 ) 测量流量范围宽。最大和最小流量比通常为6 ：1 到1 0 ：l ，故相对适用于流量 大幅度变化的场合 ( 4 ) 重复性好。短期重复性可达0 0 5 - 0 2 ，这是由于良好的重复性，如经常校准 或在线校准可得很高的精确度。 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 ( 5 ) 耐高压、耐腐蚀。由于具有较简单的外形且采用磁电感应结构，容易实现耐高 压设计，故可适用于高压管路液体的测量；采用抗腐蚀材料制造，使得流量计耐腐蚀性 能良好i ”j 。 ( 6 ) 可获得很高的频率信号( 3 - 4 k a z ) ，信号分辨能力强。通过传输线路不会降低其 精度，容易进行累积显示，易于送入计算机进行数据处理，无零点漂移，抗干扰能力强。 ( 7 ) 结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。 ( 8 ) 专业性传感器类型多。可根据用户特殊需要设计为各种专用型传感器，例如低 温型、双向型、井下型及混沙专用型等。 ( 9 ) 一般液体涡轮流量计不适用于较高粘度介质( 高粘度型除外) ，随着粘度的增大， 流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。 ( 1 0 ) 流体的物性对仪表的特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，而液体流量 计对粘度变化反应敏感【1 6 】。 大连理工大学硕士学位论文 3 流量标定控制系统的总体方案设计 3 1 系统总体设计方案 采用层次化设计方法，通过对系统模型的分析和综合，可以抽象出流量计标定系统 的抽象层次结构，如图表3 1 所示。 表3 1 系统层次结构 t a b 3 1l e v e ls t r u c t u r eo f s y s t e m 层次功能 人机界面 应用软件 控制协议 硬件资源 其中每一层的具体含有如下； ( 1 ) 硬件资源：系统的物理构成，包括电路和机械电气接口等。 ( 2 ) 控制协议：在硬件资源的基础上向应用软件提供标准、通用的界面，确保数据 传输和控制的可靠性，主要表现为底层接口软件。 ( 3 ) 应用软件：提供常用而且通用的应用程序。 ( 4 ) 人机界面：处理用户的输入输出接口。系统的分层设计，极大的提高了硬件和 软件之间、软件和软件之间设计和开发的灵活性，同时也使问题得到细化和简化。任何 一个层次都可以单独进行设计、调试和方针，从而可以加快系统的开发速度。 3 2 标定系统硬件和软件的设计准则 整个系统由硬件和软件两个部分组成如图3 1 所示。硬件部分主要完成流量数据的 测量及数据的采集；软件部分完成对采集的数据的分析和处理，在此基础上对硬件加以 适当的控制，使得整个系统得以正常的运行。 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 图3 1 系统总体结构 f i g 3 1s t r u a u r eo f t h es y s t e m 3 2 1 系统硬件设计准则 系统的硬件实现首先要考虑到工程现场的实际情况，要满足可测试性、可编程性、 可制造性和可维护性设计要求，提高检测系统的可靠性和灵活性。 其次，硬件各部分可以单独进行自检，以确保整个检定系统的自身可靠性。 最后，整个检定系统要满足通用化、系列化和组合化设计，做到应用范围广、重利 用率高，满足多型号、多任务的要求【l 叼。 3 2 2 软件系统设计准则 软件是整个标定系统的核心和灵魂，整个系统是在软件的控制下运行的，它负责完 成用户接口，数据的录入、分析和处理，各个硬件单元之间的协调工作。软件的好坏是 系统成败的关键【嘲。 ( 1 ) 软件开发工具 对于一套控制系统，除了要求硬件支持外，还必须有功能强大的软件开发工具。基 于工控机基础上的开发工具种类较多，工控机支持的开发软件有v b ，v c 及组态软件等。 本系统的软件设计及功能开发软件是以m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 企业版作为基础开发平 台，并结合a c c e s s 数据库开发而成的3 2 位标准w i n d o w s 软件。 v i s u a lb a s i c 语言可以利用v b 的可视性和设计各种对象的响应函数来完成系统的 各种显示及操作，使w i n d o w s 环境下的程序设计变得简单。v b 环境下用户界面设计非 常方便，它提供的“菜单设计器”可以直接生成菜单系统，大大简化了界面菜单设计。v b 大连理工大学硕士学位论文 作为一种是事件驱动的面向对象的编程语言，提供了丰富的键盘鼠标事件，在对应的子 程序中编程就能完成预期的用户操作，鼠标由系统驱动，可靠性高，而且v b 提供标准 的w i n d o w s 标准窗口，使得软件界面友好。v b 提供了大量的控件给编程者使用，大大 减轻了编程的工作。同时v b 支持利用数据控件或0 d b c 对多种数据库系统及m i c r o s o f i e x c e l 等数据表格的访问。但v b 程序本身编译和运行效率较低。 本系统在检定过程中需要对流量计的输出信号进行采集，由于系统硬件已保证了采 集速度，因此对软件运行速度要求不是很高，因此我们采用了v b 作为软件开发工具。 ( 2 ) 数据库管理应用 由于流量标定系统在运行中需要将采集到的数据进行数据处理，将每次标定结果和 其它包括：送检单位、送检仪器名称、仪器型号规格、检定校准证书号、仪器准确度等 级、检定时间、检定周期、检定条件等一系列数据按计量行业规章制度规定进行存档， 而且方便查询，所以考虑使用数据库管理【捌。 本自动计量系统应用软件直接运用m i c r o s o ra c c e s s 数据库管理软件进行计量数据 的管理。a c c e s s 是一个基于关系型数据库的中小型数据库管理系统，具有强大齐全的功 能以及易用、易学性，得到广大数据库应用系统开发人员的青睐。m i c r o s o f t a c c e s s 提供 了一系列新的功能更强大的对象、方法、属性、函数、语句、数据类型及事件，以便创 建强大的v i s u a lb 硒i c 数据库应用系统。 3 3 控制系统方案设计 为了满足辽河油田兴隆台采油厂对检定系统的经济性、可靠性和实用性的要求，从 系统设计的各个方面进行了考虑，经过分析比较，最终确定了满足要求的标定系统。 根据控制系统的特点并结合系统设计的功能要求，可以有以下几种改造方案l ： ( 1 ) 采用单片机控制 单片机系统结构简单、采集速度快、价格低、体积小，但数据处理比较弱，界面不 友好同时抗干扰能力较差，标定的可靠性不高。 ( 2 ) 采用控制机和p l c 控制 该种控制方式要求每个检定管道都有一台可编程控制器进行控制，在总控制室还有 一台控制机，与各可编程控制器进行通讯，对各个标定管道的标定状态的监控在工控机 上进行。 工控机作为上位机主要承担系统管理任务，例如各种数据和信号的检测、存储、分 析和计算处理；查看检测各种事件、记录、证书查证及打印等，而系统的一切控制任务 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 的实现，动作的执行，控制模式的输出，都由下位机来执行，这种控制方式可靠性好， 但成本较高。 ( 3 ) 采用工控机并配备多功能数据采集卡、过程控制卡进行控制 这种控制方式可以多个检定管道共用一套控制系统，该种控制系统通过多功能数据 采集卡、过程控制卡之间的交互信息，实现对执行机构的控制和输入信号的采集，由工 控机对采集的信号进行存储、分析并计算处理和输出结果。此种控制系统有友好的界面， 操作与监视较为方便，而且成本较低，可靠性较高。 通过对上述三种方案的比较，考虑到系统经济性的要求，决定采用方案3 。 大连理工大学硕士学位论文 4 流量标定系统硬件设计 流量计检定系统的硬件组成主要分为四部分：标准流量计、数据采集系统、恒压供 水系统和控制执行装置。 标准流量计是决定检定系统精度的关键，恒压供水系统保证水流速度的恒定，利用 变频器实现恒压供水，数据采集系统将采集的数据进行转换和处理。控制执行装置采用 电动调节阀调节流量。 标准流量计的脉冲输出信号进入定时计数卡p c l 8 3 6 电动调节阀由直行程电子式 电动执行器执行，输入为4 - 2 0 m a 电流或卜5 v 电压，由模拟量输出卡p c l 7 2 6 提供； 变频器由p c u ) 7 8 6 固态继电器i o 模块载板进行控制。 4 1 标准流量计 标准流量计是保证标定精度的关键设备】，本系统选择精度等级为o 5 级的通径分 别为m q l o 、d n l 5 、d n s 0 的涡轮流量计作为标准流量计。第2 章对涡轮流量计进行了 简单的介绍。 4 2 恒压供水系统 4 2 1 恒压供水系统组成 恒压供水系统的原理如图4 1 所示，水泵在变频器的控制下将水池中的水通过不同 规格的开关阀进入被检定流量计和标准流量计，经电动调节阀调节流量再回到水池。当 水流速度恒定时，则通过标准流量计和被检流量计的流量是恒定的，因此只需要测出一 段时间内流过标准流量计的水量即可计算出流量，这样只要同时测出该段时间内标准流 量计发出的脉冲数和被检流量计发出的脉冲数，即可对被检流量计进行标定1 2 4 。 整个恒压供水系统的主要功能是由变频器控制交流电机完成的。本系统采用的是日 本安川v s 6 1 6 p 6 变频器口卯，其主要具有如下几个功能特点： ( 1 ) 矢量控制具有高启动转矩，速度精度高。 ( 2 ) 快速电流限幅可用于无跳闸应用。 ( 3 ) 内置p i d 控制功能，可以完成闭环过程控制。 ( 4 ) 可以通过r s 4 8 5 串口实现远程控制。 在实际工作中，这种变频器可以很好的完成所需要的功能，保持了流速的稳定，达 到系统的设计要求。 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 图4 ，1 流量标定系统恒压供水 f i g 4 1w a t e rs u p p l ys y s t e mo f c o n s t a n tp r e s s u r vi nf l o wc a l i b r a t i n gs y s t e m 4 2 2 恒压供水控制方法 在恒压供水系统中采用p i d 控制算法，如图4 2 所示。 给定值 图4 2 闭环压力调节系统 f i 舀4 , 2c l o s e d - l o o pp r e s s u r er e g u l a t i o ns y s t e m 压力的给定值由单回路调节器面板设定，压力传感器将实际的压力变换为4 - 2 0 m a 的压力反馈信号单回路调节器将反馈的模拟电流信号经数字滤波、a d 转换后变为数 字信号，一方面作为实际压力值显示在面板上，另一方面与给定值作差值运算；偏差值 大连理工大学硕士学位论文 经数字p i d 运算器运算后输出控制量，经d a 转换后，输出4 2 0 m a 的电流信号去调节 变频器的频率，变频器再驱动水泵电动机，使压力上升。当给定值大于实际压力值时， p i d 控制器输出加大，压力上升，当给定值刚小于实际压力值时，p i d 控制器输出开始 退出饱和状态，输出值减小，压力超调后也逐渐下降，最后压力稳定在设定值处，变频 器频率也稳定在某个频率附近。 4 3 数据采集系统 4 3 1 数据采集系统功能 本系统的数据采集功能伫6 】主要完成以下几个任务： ( i ) 检测标准流量计的脉冲计数信号。 ( 2 ) 输出电动调节阀的4 2 0 m a 的电流信号。 ( 3 ) 输出数字信号控制变频器和标准罐切换。 4 3 2 数据采集系统的组成 数据采集系统中p c l - 8 3 6 计数卡、p c l 7 2 6 d a 转换卡和p c l d 7 8 6 卡均采用研华 公司的产品，其功能特点如下： ( 1 ) p c l - 8 3 6 计数卡 p c l - 8 3 6 计数卡1 2 7 测出该段时间内标准流量计发出的脉冲数，它有六路计数通道， 可以输入输出两个八位的数字信号它具有事件计数、频率测量和脉冲输出功能。只要 启动滤波器，并且将计数器的输入脉冲频率设为最大，则事件计数功能和频率测量功能 就可以与数字噪声滤波器一起使用。驱动程序可自动的将滤波器的时钟与输入频率的最 大值设为一致。如果输入频率的最大值为0 ，则驱动程序自动屏蔽滤波器功能。 在使用板卡自带的a p i 函数启动计数功能时，0 2 通道的输出将采用脉宽调制输出， 而3 - 8 通道的输出为方波发生器在( 占空比为5 0 ) ，其频率范围为1 5 3 h z - 5 0 0 0 h z 。事件 计数器为o - 5 通道，能够作为正( 负) 边界计数器。在使用a p i 函数启动上述功能时，计 数器的值为0 2 ”。 计数器的o 一2 通道可以作为任意占空比的脉冲发生器，而3 8 通道可以作为方波发 生器，输出脉冲的波形取决于所使用的计数器的输出管脚。 ( 2 ) p c l - 7 2 6 d a 转换卡 p c l - 7 2 6 d a 2 8 转换卡完成数字量到模拟量的转换，在程序中给出阀门开度，经过 公式计算，得到数字输入量，经转换给出4 2 0 m a 的电流信号，控制电动阀门来调节阀 门的开度，从而控制流量的大小。 基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究 p c l 7 2 6 d a 转换卡有6 位独立的模拟量输出，1 6 位输入，1 6 位输出，以及内部或 者外部参考置。如果选择外部参考量，则参考流量的值以及双极性( 单机型) 的输出量范 围都必须在运行时给定，这些值通过模拟输出的参数或应用程序设定。 除了模拟量输出之外，p c l 7 2 6 还提供1 6 路数字量输出和1 6 路数字量输入。t t l 兼容的d i 和d o 端口可以很容易的与我们在工业开关控制及检测应用中使用的端子 板连接。 ( 3 ) p c l d - t 8 6 卡 p c l d - 7 8 6 是一款固态继电器f o 模块载板。它最多可接受8 个光耦合隔离固态继 电器模块，最多可驱动8 个外部继电器，该载板可供任何一款通过标准2 0 脚接口输出 1 6 路数字量的p c l a b c a r d 使用。 p c l d 一7 8 6 载板上最多可安装8 个o p t o 一2 2 兼容的a c 或d c 固态继电器模块，安装 方式可任意组合。板上的一个a c 模块会在超过零电压点时打开输出，以避免大量电感 负载产生瞬态电流而导致故障。d c 模块能够提供快速无跳动的d c 电源切换。与机械 继电器相比，固态继电器更加可靠，具有更快的反应速度和抗噪声功能。 p c l d - 7 8 6 上的8 路数字量输出可用于驱动外部继电器。可通过跳线将驱动电压选 择为+ 5 v 、+ 1 2 v 或外部d c 电