（农业机械化工程专业论文）智能孔板流量计的设计与研究.pdf

西南大学烦士学位论文捅鬻 摘要 7 l 援流量计是根攥安装在管邋中孔板前后的惩箍，已知静流体参数和i l 板的几何尺寸来 计算流最的仪表。孔板流量计常用于= i ：业生产测量气体、液体和蒸汽流量。传统孔板流量计 测量精度较低，功耗较高。流量计的发展趋势是商精度、低功耗、数字化、集成化、智能化、 网络纯。本文设计7 慧予德硝役器公司生产雏怒低功耗1 6 位单肆桃m s p 4 3 0 静l 板流量计， 完成了相关软硬件的设计工作，实现了基本功能，达到了预期的目的。 本文在查阅大量文献资料的基础上，分析了流髓计的分类及其优缺点、适用范围以及智 能流麓计的结构特点及泰来戆发展怒势。阐述了魏叛流量计的溅攮测量覆理以及理论流量计 算公式、标准孔投瓣结构形式和技术簧求。详细酶介绍了本文设计的流量计的硬件设计和软 件设计，各外围模块的使用与编程，s p i 、i 2 c 等串行总线形式的时序分析与操作，程序设计 审的低功耗思想及摄商程序运彳亍稳定性的揍施。 餐能孔援滚囊谤的设计是围绕耱能纯、低功耗、低成本韵思憨展开酶，在疆箨设计方西 选用德国s e n s e 公司生产的s d p s 3 单晶硅智能藏服传感器，选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作微控 芯片，选用2 4 位高精度低功耗模数转换器，1 6 位数模转换器，带日历时钟的铁电存储器件， 低功耗液搞显示器；在软锌设诗方蕊，引入低功耗的设计思想，含瑗分配时钟溅，主程序中 完成必要的设置和相应模块的初始化工作，定时采样羞压倍号并计算流量僮和捌勰l c d 显示 等系统主要功能，在定时器a 的中断中完成，系统在大多数时间是处于l p m 3 低功耗模式， 降低了系统的功耗。采用双精度浮点数送行流量逡算，并在程廖中使用m s p 4 3 0 f 1 4 9 内置的 硬体乘法器，提凑? 运算精度与运雾速度。 荚键谰：低功耗m s p 4 3 0 f 1 4 9 孔楹流量计双精度浮点数运彝 西南太学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c 玎 o r i f i c ep l a t ef l o w m e t e rw a sa ni n s t r u m e n tw h i c hc o u l db eu s e dt oc a l c u l a t ec u r r e n tc a p a c i t y a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r eo fo r i f i c e p l a t e i n s t a l l e di n p i p e l i n e ，t h eg i v e nl i q u i d p a r a m e t e r sa n do r i f i c eg e o m e t r ys i z e a tp r e s e n ti tw a sw i d e l ya p p l i e dt om e a s u r et h ef l u xo fg a s ， l i q u i da n ds t e a m t r a d i t i o n a lo r i f i c ep l a t ef l o w m e t e rh a ds o m ed e m e r i t ss u c ha sl o wm e a s u r i n g p r e c i s i o n a n d h i g hp o w e rd i s s i p a t i o n b u tt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ff l o w m e t e rw a s h i g h - p r e c i s i o n ，l o wp o w e r - d i s s i p a t i o n ，n u m e r a l i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n 。i n t e l l e c t u a l i z a t i o n a n d n e t w o r k i n g b a s e do nt h ee x t r e m e l yl o wp o w e rd i s s i p a t i o n1 6 一b i tm c up r o d u c e di nt e x a s i n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d ，t h eo r i f i c ep l a t ef l o w m e t e rw a sd e s i g n e di nt h i st h e s i s r e l a t e ds o f t w a r e a n dh a r d w a r ew o r kw e r ec o m p l e t e dt or e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o n 。 i nt h el i t e r a t u r es u m m a r y ，t h ec o n c e p t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no ff l o w m e t e r ，t h em e r i t s ，d e m e r i t s a n da p p l i c a t i o ns c o p eo fv a r i o u sf l o w m e t e rw e r ef i r s t l yi n t r o d u c e d , t h e nt h es t r u c t u r a ls t y l ea n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fi n t e l l i g e n tf l o w m e t e re s p e c i a l l yt h eo r i f i c ep l a t ef l o w n m t e rw e r ea n a l y z e d t h e n ，i t sm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dt h e o r e t i c a lf o r m u l a ，a sw e l la st h es t r u c t u r a ls t y l ea n d t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fs t a n d a r do r i f i c ew e r ee x p o u n d e d a st h ec o r eo ft h i st h e s i s ，t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g no ff l o w m e t e r , t h ea p p l i c a t i o na n dp r o g r a m m i n go fp e r i p h e r a lm o d u l e ，t h e a n a l y s i sa n dm a n i p u l a t i o no ft i m i n go fs e r i a l b u ss u c ha ss p i ，l 。c ，l h ec o n c e p to ft o w p o w e r * d i s s i p a t i o ni np r o g r a md e s i g na n dt h ec o u n t e r m e a s u r et oe n h a n c es t a b i l i t yo fp r o g r a mw e r e e m p h a t i c a l l yd i s c u s s e di nt h et h e s i s t h ed e s i g n p r i n c i p l e o f i n t e l l i g e n t o r i f i c e p l a t e f l o w m e t e rw a s i n t e l l i g e n c e ，l o w p o w e r - d i s s i p a t i o na n dl o wc o s t o nt h ec h o i c e so fh a r d w a r e , s d p s 3m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o rp r o d u c e di ng e r m a ns e n s ec o r p o r a t i o nw a sc h o s e na st h es e n s o r m s p 4 3 0 f 1 4 9m c uw a sc h o s e na st h em i c r o - c o n t r o lc h i p 2 4 - b i ta n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e a e r , 1 6 - b i t d i g i t a l * t o - a n a l o gc o n v e r t e r f e r r o e l e c t r i cm e m o r yw i 攮c a l e n d a ra n dd o c k , l o wp o w e r - d i s s i p a t i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ye t e w e r ec h o s e na so t h e rp e r i p h e r a lc o m p o n e n t s a b o u tt h es o f t w a r e o nt h e p r i n c i p l e o fl o wp o w e r - d i s s i p a t i o n ，c l o c ks o u r c ew a s r a t i o n a l l yd i s t r i b u t e d t h e e s s e n t i a l e s t a b l i s h m e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l ei n i t i a l i z a t i o nw e r ec o m p l e t e di nm a s t e rr o u t i n e t h e m a i nf u n c t i o no ft h es y s t e ms u c ha ss a m p l i n go fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es i g n a l s ，c o m p u t i n gf l u xa n d r e n o v a t i n gl c dd i s p l a ya n ds oo n c i c o m p l e t e di nt h ei n t e r r u p tp r o g r a mo ft i m e l a t h e s y s t e mw a gm o s t l yi nt h el p m 3l o wp o w e r - d i s s i p a t i o np a t t e r nt h e r e f o r e ，t h ep o w e r * d i s s i p a t i o n w a sr e d u c e dw h i c hc o u l de x t e n dt h el i f e t i m eo ft h eb a t t e r y i 瓢ea l g o r i t h mo ff i o w m e t eo p e r a t i o n w a ss t u d i e di nt h et h e s i s 。d o u b l e - p r e c i s i o nf l o a t i n gn u m b e ro p e r a t i o nw a s a d o p t e d 遮c a l c u l a t i n g f l o w m e t ea n dt h eh a f d w a r em u l t i p l i e re m b e d d e di nm s p 4 3 0 f 1 4 9w a su s e di nt h ep r o g r a mw h i c h e n h a n c e dt h eo p e r a t i o np r e c i s i o na n ds p e e d k e yw o r d s ：l o wp o w e r - d i s s i p a t i o nm s p 4 3 0 f 1 4 9 o r i f i c ep l a t ef l o w m e t e r d o u b l e p r e c i s i o n f l o a t i n gn u m b e ro p e r a t i o n i i 独创性声明 3 3 7 6 6 8 学位论文题露：! 缝钰至! 抠i 塑遗銎篓丑垂缉复空 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 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我 一同工作的同志对本硖究所做的任何贡献均已在论文中作了猬确的 说明并表示谢意。 学位论文作者：每墅钦签字疆期：2 。年5 月2 7 疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权婚南大学研究生陵可以将学位论文的 全部成都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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：涵不保密， 口保密期限至年月虫) ； ， 一 ，土i 学位论文作者签名：褪敬 导师签名：可谚群芳a 正 签字日期：如。f 年，月2 1 日签字鲤期：7 护侔一月2 7 口。“ 学位论文作者毕业后去向：， 工作单位：塑塑塞煎盔堡电话：( ! 望! 曼z 鱼塑! 譬 通讯地址：、堑童殛叁蕉扭越兰熬鲎醒。 邮编： 卫! f 西南大学硕士学位论文 文献综述 第1 章文献综述 1 1 流量计概述 1 1 1 流量测量的基本概念 流量是单位时间内流过管道横截面的流体量，若流体量以质量表示时，称为质量流量， 一般用q 。表示。流体量若以体积表示时，称为体积流量，一般用q 。表示。如果流动是不随时 间变化的，我们称之为定常流，如果流量随时间不断变化，则称之为非定常流。流量的概念 是瞬时的概念，流量是瞬时流量的简称。瞬时流量的数学表达式一般为： a v q v2 百。以 1 - 1 a m 2 百。州 1 2 式中，q ，是体积流量( 胁3 s ) ；q ，是质量流量( 堙i s ) ：v 是流体体积( m 3 ) ；m 是流体 质量( 堙) ；t 是时间( s ) ：p 是流体密度( 唔m 3 ) ；u 是管内平均流速( 肌s ) ；a 是管道横截 面积( 肌2 ) 。 在一段时间内流过管道横截面积或明渠横断面的流体总量称为“累积流量”，也常被称作 总量，在数值上它等于流量对时间的积分，数学表达式为： 阽- j ：2 q 。d t ( 1 - 3 ) m ；j ：2 d t “- 4 ) 11 2 流量计及其分类 测量管流的流量和总量的仪器称为流量计。流量计是工业自动化仪表装置中最重要的人 类之一，流量测量己经从过去单纯以生产过程稳定为目的发展到今天的大规模集中和最佳控 制，其应用范围也延伸到医疗、环保、河流测量和农业生产等各个方面。现在，流量计的测 量对象已经从液体、气体扩展到了双相、多相流体；测量温度从高温到极低温：压力有低压、 中压、高压甚至超高压：测量粘度范围也在不断扩大；流景状态也涉及到层流、紊流、脉动 流等。为适应各种测量条件，老式流量计仍在不断完善，新式流量计也层出不穷。流最计的 分类一般按照用途分为指示型、记录型、计算型、远传型等；按照测量流体状态分为微流最 测最型、小流鼍测量型、脉动流测量型、双向流测量型等；按照结构和测量原理，国际标准 化组织( i s o ) 制定了流量仪表的分类标准，将所有的流量计分为差压式、浮子式、容积式、涡 轮式、电磁式、超声式、涡街式、热式、科氏力质量流量计和其他式共十大类，目前正在使 用的流量计已经超过1 0 0 种，而且随着微电子技术、计算机技术和传感器技术的不断发展瓤式 的流量计将不断出现。各种常用流量计对流体状态的适应性如表1 1 所示。1 两南大学碗上学位论文 文献综述 表卜不霹粪整溅爨 十对流体棱态的遁应牲 流体类型清脏气离渣 腐 范 明 非 洁污粘 气 蚀闱凝 充 混满 流饿计类l ! r 渡染体度 a 涟 度 液 管目 蓑壤孔扳 jsx 麓压喷嘴 x s 差艇文氏管 js 浮子武0彳 骚 容积式 m 漩涡式 xc 涡轮式 0 a 电磁式 b 超声波式 c 靶式 00s 热式x0 箍 明渠式 h 科氏质量式 0 一b 注：“”为适弼，“x ”为不通用，“+ ”为密蠢件可用，“s ”海枣藏匿，“鹾”为审范嚣，“h ”为犬范 嗣，a 为小到中，b 为中到犬，“c ”为小列大。为圊缺孔扳， 为涡街式，为多普勒式，骥 式， 为高压气体，为玻璃锥管，为特殊材料制造。 1 t 3 常用溅餐计篱奔爰优缺煮分播” 虽然流量计种类繁多，掇怒嗣前应用 e 较泛的有差压式流量计、浮予式流量计、容积 式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流赞计、超声波流量计七种，；4 f 3 共计占有目静 流量计市场份额的8 0 以上。f 嚣簿要介绍这儿 流量计的测餐原理，优缺点及应用概凝。 t ) 差援流爨计 差压流缀计是目前应用历史晟悠久，应用范围最广泛，技术最成熟，测量元件已经标准 化的一种流量计。目前在工业流量测量仪表的市场份额约占1 3 以上，本文将在后面详细介绍。 ( 2 ) 浮子流缀诗” 浮子流量计，叉称转子流缀计，是变面积式流量计的一种，在一根由+ f 向上扩大的瓣赢 锥管中，隧形横裁疆的浮予的重力是由液体动力承受的，扶丽使浮子可以在锥管内基由撼上 升昶下降，浮予的亮度与浇壁姻大小成范翻。按照制造材料不疆，可努为玻璃浮子滚鬃诗稍 金属管浮子流鬣计两大类。浮予流量计是仅次于差压式流最计应用范围最广的一类流量计， 。2 ， 西南犬学硕士学位论文文献综述 特别襁小、微流最计方面测量应用广泛。其主要优点有： 结擒篱摹、侩樯寝宜、使塌方馁； 适用丁小管径和低速流，可用于低雷诺数流体测量； 压力损失较低； 督较宽的流强范围度，一般为1 0 ：1 。 浮子漉量诗的主饕缺点有： 耐压低，玻璃管容易损坏； 塌限于通过中小管径流体的测量。 缓璃浮子流量； 一般用于常温、霉匿下透明奔蔟豁流量测蟹。多罐于工监藤料的配比计 算。金属浮子流量计多尉于高温、高压介质、不谶明及腐蚀性介质的流量测撬。 ( 3 ) 容积式流量计”l 容积式流量计又稳定摊量滚量计，簿稼p d 瀛鬃计，在流量仪裘中是精度最隧静粪。它 利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室邂次重复地充 满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总鬣。按测量元件分类，可分为椭鄹齿轮流 量计、割扳流量计、毅转子流量计、旋转活塞流盈诗、往复活塞瀛鬣计、强纛流蟹计、滚封 转筒式流鼙计、湿式气量计及膜斌气餐计等。其主要优点有： 计量精度商； 安装管道条彳牛对计量精度没有影响； 可蠲于高糟度波俸的测量； 范嗣度宽； 瘦读式仪表无需外部能源盛接获得累计总最，清晰明了，操作简便。 簿辍式流量计豹主要缺点有： 结够复杂、体积庞大； 被测介质种类、1 7 ：1 径、介质工作状态局限性较大； 不逶用赢、 藩疆场合： 大部分仪表聚适用于洁净单楣流体； 易产生燥声及振动。 容积式流量计在我国约占2 0 的销量，常应用予昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测景。 ( 4 ) 漏轮流量计 涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子( 涡轮) 黪受流体的平 均流速，获两推导出流量。其主要後点有： 测量精度离，在所有滚曩计中属予最精确的流量计； 3 巍南大学磺士学位论文文献综述 压力损火小，在煨火流量f 其压力损失0 0 1 0 1 m p a ； 骞一定的动态嗡斑，由于惯性较小，有一定动态昀斑，可测虽菜些拣动滚量； 无零点漂移，抗干扰能力好； 箍围度宽，最大秘最小流麓墟通常为6 ：l 1 0 ：1 ，还可以更宽，数相对逶用予流量大 幅度变化的场合 镪构紧潦、燕单，安装维修方便。 涡轮流量计的主耍缺点有： 不能长期保持校港特性； 流体物性对流量特性有较大影响。 涡轮流量封柱石油，誊规液体、无规波、渡化气、天然气和低温滤体等妁测量上广泛应 用。尤簸作为天然气计黛仪表应用箍为广泛。 ( 5 ) 电磁溅璧许” 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定樟制成的一种测量导电性液体的仪表，电磁流量计 可以斑阁在其它流量计不适宣应粥的一些流体的测簸，如脏污流、腐蚀流的溯盈。电磁流量 计的技术不断成熟使得其作为流量计家族的厉起之秀在流量仪表中销照比例不断上升。其主 要优煮肖： 其流量儿乎不受流体温度、压力、密度和粘度的影响； 辩l 量计内部管道光滑，不对流体产生阻力，爱压力臻失； 所测得体积流量受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化影响较小； 流量测爨范围大，墨径宽； 可应用丁 腐蚀性流体的测甓。 魄磁流量计的主要映点寄： 不能测最电导率很低的液体，如石油制品； 不能溺爱气体，蒸汽和禽耷较大气懑静液体； 不能用于较高温度。 毫滋流量计瘦用范邈广泛，太翻径仪表较多痰用与给捧承二 程；中, i , c l 较索爝予礴要求 和难测照的场台，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸t 业测量纸浆液和黑液，化学工业 敷强瘫蚀渡，裔毽冶金一l ：谴的矿袋等；小l = 径、徽，l 、口经常羽于医药工业、食磊工韭、爱物 化学等有卫生要求的场台。 ( 6 ) 涡锯流萤计” 涡衡流量汁是剥用在流体中发放一根非瀛线型旋涡发生体，流体在发生体两侧交静地分 离释放出两串规则地交锚排列的旋涡进行测量的仪袭。涡衡流量计梭频率检出方式可分为应 4 西南大学碗学位论文 文献综述 _ 烹ii , 鼎篡! ! 舅基群鼍詈舅舞曙篁皇鼍 力式、废交式、电容式、热敏式、振动体式、光瞧式及超声式等。其圭要优点毒： 结构简单牢固： 适用流体种类多： 精度较高； 范围皮宽。 萁主要缺点有： 不适用于低雷谱数流体啦测量； 需较长氟管段； 仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应艚经验。 ( 7 ) 超声波流量计“ 超声波流量计是通过检测流体流动慰超声柬( 或超声脉冲) 的住阚来进行钡4 量的仪表。 根据对信号检测的原理可分为传攒速度蓉法、波遮偏移法、多普勒浚、互相荚法、噪声法等。 超声波流量计和电磁流凝计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍忭，均属凭阻碍流凝计， 是适予解决流鬟测量爨娥河题的一类流量计，特别在大口径流量攒l 繁方嚣有较突出的优点， 是近年束发展嘏为迅速的流量计之一。其主要优点有： 可傲 # 接触式瓣鬣； 为无流动阻挠测鬣，无压力损失； 量程眈程宽，般为1 ：鹳1 ：1 6 0 ； 重复性很高，能实现双向流量计赞： 可测赞菲导电性液体，对弱为无阻挠测量的龃磁漉爨计是一种棒充。 其主要缺点有： 传擐时嘲法只髓翊于清洁液体秘气髂，焉多普勒法强能用于溺量含鸯一定量爨浮颗簸 和气泡的液体； 多普鞠法测量鹣发不裹。 传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。例如工厂排放液、烃液、液化天然气等；多 普勒法适翊予舞囱含量不太高的双向流体，例如：来处理海水、工厂摊敦辕、脏流程液；遵 常不通用于非常清洁的液体；在高压天然气测量领域具有良好的经验。 1 4 智雏滚鬻计豹维哟和特点阳“ 辫能流量计是计算机技术与测试技术褐结合鲸产物，智糍流量计是多种学科、多种技术 综合的产物，主要涉及传感与流鬣测量技术、信号与系统分析技术、；十算机技术、电子技术、 自动控制技术、嚼络遴信技术等。虽然各种类型的流量计测囊原理不囿，但是从结构上来_ 【；毛， 都可番作一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部分组成。 嫒件部分主要包括信号的输入通道、微控制嚣及其外围电路、输出通道、标准通信接口、 5 西南大学硕上学位论文 文献综述 人机交换通道。输入和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号，它们通常由传感器、 信号调理电路、a d 转换器、d a 转换器等组成。微控制器及其外围电路用来存储程序、数据 并进行运算和处理，通常由微控制器、存储器、输入输出接口电路等组成。人机交换通道是 人与仪器相互沟通的主要渠道，从仪器获取信息、对仪器进行操控都由人机交换通道进行， 它主要由键盘、显示器、打印机等组成。标准通信接口电路用于实现仪器之间的组网和计算 机与仪器间的通信，目前用于智能仪器的主要通讯接口有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 、c a n 等。智能 流量计的结构如图1 - 1 所示。 现场总线 打印机绘图杖 硬盘，戟驱山s b 电压电赢 戢字信号输出 图卜1 微机嵌入式智能流量计结构示意图 智能流量计的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。其中监控程序接收键 盘操作的指令，并存储所设置的功能、操作方式与工作参数，对传感器的信号进行采集、转 换、运算、存储并送显示器显示。接口管理程序主要面向通信接口，接收信息，并分析来自 通信接口总线的各种功能、操作方式与工作参数的操作嘛，并通过通信接口输出仪器的现行 工作状态及测量流量的处理结果，以响应计算机的远程控制命令。 随着微处理器的处理速度和能力的不断提升，使智能流量计的功能有了极大的提升，许 多硬件电路难以解决或根本无法解决的问题可以利用软件很好的解决。减少了硬件电路设计， 简化了仪表结构，降低了仪表功耗，很多流量计可采用电池供电，两年内无需更换电池。智 能流量计一般具有以下特点： 智能流量计可以通过数据处理进行自动校正、非线性补偿、数字滤波，修正和克服由 各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高流量的测量精度和其他性能指 标。 智能流量计一般都具有和高的自动化水平。微处理器能控制流量的整个测量过程，如 键盘扫描，量程选择，数据采集、传输、处理及显示记录输出等，实现了测量过程的自动化。 6 西南人学硕士学位论文文献综述 智能流量计一般内置通信接口，能很方便的通过接口组网以及接入上位机对其进行测 控。 智能流量计通常都具有自测试和自诊断功能。它能自行测试功能是否正常，自行诊断 是否存在故障及故障的部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。 1 2 现代智能流量计技术的发展趋势 随着新的测量方法的不断出现，具有新的工作原理的新型流量计不断推出，控制技术、 计算机、电子、通信、网络技术的发展也推动了智能流量计向现场总线技术、软测量技术和 多传感器融合技术、虚拟仪器的方向发展。 1 2 1 新型流量计发展现状 近年来出现了一些采用新的工作原理和测量方法的流量计。 ( 1 ) 静电流量计 日本东京技术学院研究出适用于石油输送管线低导电率液体流量测量的静电流量计，静 电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接，测量电容上静电荷便可知道测量管内的电荷。他 们分别作了4 - 8 m m 铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的试验，试验表明流量与电荷之间接 近于线性。 ( 2 ) 复合效应流量仪表 该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形，测量复合效应 的变形求取流量。本仪表由美国g m l 工程和管理学院开发，已申请两项专利。 ( 3 ) 转速表式流量传感器 它是由俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已 在若干现场成功的应用( 例如在核电站安装2 0 0 0 余台测量热水流量，连续使用8 年) ，现在 还在不断改进以推广到更多的应用领域。 1 22 新技术在流量仪表中的应用 ( 1 ) 现场总线技术的发展 现场总线技术是在8 0 年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术，按照国际电工 委员会的定义为“安装在制造或过程区域现场装置与控制室内装置之间的数字式、串行和多 点通信的数据总线”“。现场总线技术从根本上突破了传统的点对点模拟信号或数字到模拟 信号传送的局限性构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信 与控制系统，适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，成为全球工业自 动化领域的热点之一。现场总线具有以下突出特点1 ： 开放性。现场总线控制系统( f c s ) 采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不 7 嚣南天举颞上学位论文文融缘述 ! ! ! s ! s | ! ! ! 嘲i i 一一，i s i 目! 目篁曩g 詈皇自| ! e ! 篁蔓e 邕! 同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。 互操作性。互搽俸性是臻不嗣厂囊鹣控镧设备不莰瑶数互捐遴信，两娃可以统一纽态， 实现同的控制策略和即插即用，不同厂商的性能相同的设备可队照换。 灵活的嘲络撩羚结构。域场总线控利系统霹以辗攒复杂的现场情况缴成不藏的秘络拓 扑结构。如树型、星型、总线型和层次化网络结构。 系统结构酌离废分散型。现场设铸本奠属于智能化仪器。具有独立囊动控制的基本功 能，从而从根本上改变了d c s 的集中与分散结合的体系结构，实现了控制功能的彻底分散， 提赢了控制系统躲可靠一睫，简优了控割泵绩的结构。 对环境的高度适应性。现场总线专为工业现场而设计，它可使用双绞线、同轴电缆、 光缆、电力线和无线的方式来传送数据。舆有经强的抗平拣能力。常用的数据传输线是瘴馀 的般绞线，并允许现场设备利用数据线进行供电，还能满足本质安垒防暴要求。 疆越较流行的现场总线主要有f f 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、h a r t 、w o r l df 1 p 葶 】c a n 等几种。 ( 2 ) 多佟感器倍感融合技术 多传感器信息融台是指在智能仪器中多传感器为完成对某一环境特性的描述，将来自不 同途径、不阉时闻、不隧空闻传感器僖怠强调减统一的特链表达斡信惠处理过程。悬智麓饺 器对信息的综合处理技术，其目的是为了能最佳综合的适用多传感器信息，使仪器仪表具有 完成菜一特定任务所嚣的完备信息。单传感器其髓获得般测对象特征的部矜信惠，擒述蓝 测对象特征的某个侧面，而经过继承与融合的多传感器信息能完善的、精确的、可靠地反映 煎测黠象特征。多传感嚣信惠融台技术一方瑟遇过信息的协调，鸯撬融合以充分发摆信息资 源的价值：另方面通过抽象台成，也减少了系统信息通信与信息处理的负担。多传感器信 息融宙技术静主簧特点有“： 提高了对环境描述的能力，可以利用来自不同传感器的信息进行互补，并通过融合过 程的照瑾，可以更全嚣、准确她拯述环壤对象，躐少识别辩的不确定性，撬慧接述的正确性 和全面性。 提离了对系统攒述的糟发。在对每一个馋藤器送弦测量对，都会存在着各种噪声，使 用多传感器的融合信息，可减少由测量不精确所日f 起的不确定性，明显地提高系统的精度。 提高了系统的遥霉亍效率。由于多传戆器斡结构分布翻信息采集是荠行的，这与应用备 单独传感器的串行结构相比，艇著地提商了信息处理速度，增加了系统的实时性。 提赢了系绩的酊靠性恭l 容镄能力。在系绕中有一个甚至几个传感器出现数漳对，可翻 用其他传感器仍能获得环境有关信息，保持系统的正常工作，提高系统得可靠性。此外，在 多传感器融台中，由予各抟感器对环境描述的捐关牲，会出现冗余僖息，利用这类信息，使 系统艇有很好的容错性能。 两南大学硕士学位埝文文献综述 | e ! 曼| ! 黑 ii,i 目罡 可降低系统的成本。冬来经融合的器类传感器相院。多传感嚣融合系统匏以较少的代 价获得同样的信息。 随着多传燎器技术在智能流量计中的应用，可以根据实际应用的不同工况对流量进行实 时修正和蛰偿，大犬提高了流鬟测量的精确性j f l 流量计的使用藏慝。 ( 3 ) 虚拟仪器技术 虚拟仪器是在电子仪器与计算机技术照深层次结合的基础上产生的一种新的仪器模式。 盘拙仪器技术强调软 串的作褥，提出了“软体就是仪器”的概念，克溅了传统仪器的确艟在 制造时就被限定。不易变动的缺陷，摆脱了由传统硬 牛构成一件件便器褥述成系统的摸式， 而变为由用户根据自己的需要通过编制不同的测试软件来组合构成各种仪器，其中许多功能 誊接就由软件来实现，便于用户更改模式和嚣级，虚拟仪器的结构如图1 - 2 所示。 图1 - 2 虑拟仪器结构 虚拟仪器主要有以下特点”“： 软件悬虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件很简单，主要是进行数据采集及信号调理， 主要的功自b 圭簧是通过软件来实现，软件在攫拟仪器中菇窍藿要地位。 虚拯仪器的性价毙蠢。虚拟仪器减少了测试系绫的硬件环节，从张阵低了系统的殍发 成本和维护成本。此外，用户可以随时根据需耍调整虚拟仪器的功能，降低了采购新仪器的 预算。 虚拟仪器其有莛好静人桃界露。在盘攒仪器孛，浏爨结果是由较侉在计算机辫幕上生 成的，与传统仪器面板相似的圈形界面由“软砸板”来实现。用户可根据翻己的喜好，自定 义所喜欢的面板彩式，大大增强了人机交强性。 虚掺仅器具有和其纯设备互联的髓力。麴俺v l x 总线或现场总线等的接口能力，此外 惩可以将虚拟仪器舟入i m t e r n e t 网络，可在任何地方对现黼擞产进行监控帮管理。 通常在编制虚拟仪器软件时刻采用两种编程方法：一种是传统的编襁方法，用高级语言， * 9 西南大举硕士学位论文文献综述 如v c + + ，v b ，d c l p h i 等编写虚拟仪器的软件，另一种是采用现在流行的图形化编程方法， 如n l 公司熊l a b v i c w , 褥别适台不具有专监缟稷承平鸵1 = 程技术人员使用。 对很多流动状态簸杂的流体测甓，实际计算流鬣过程参数众多，数学模型复杂，运算量 火，采用嵌入式系统进行积算实时性麓，准确性整，对于一些复杂的数学运算麒至不能处理。 采用壤拟仪器技术袋籍娶把管道内各传感器测得的信号传入计算枫中，班软件兔挟心进行计 舅就可得到比较准确的流量僮。由于这种盘拟动态流量计技术不含运动部件，运算能力强、 速度快，建模时允许全面考虑流体的惯性力、黏性力及其他因索的影响，解决了传统流量计 很难处理复杂数学关系的问题，因此可以获得很离的动态响应品质和稳态测量准确度，并可 懿与计冀税网络褪豢含实现实时在线多点蓝控，基努缀好的开笈翻应用藏景“。 1 3 节流式差压流量计概述“”1 i 3 1 爷流式差厦淡羹毒卡 麓压流量计是粮据安装在管邋中节流俘前君的压差，已知的流体条件和节流佧的几何尺 寸米推算流量的仪表。篾压流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常 用的一莘中流量仪表。弱前工业流量测璧领域中，差压式渡量计占流量仪表总数的l 3 以上，其 中嗣黥疆多的是由节流装置和差雁计组成的节流式滚量计。节流式流量诗褥以翔此广泛的应 用，主嚣是因为宦具有两个非常突出的优点： 结构简单，工作可靠，成本低，又具有一定的准确度，基本能满足工程测量的需要。 薹 究设计和使用历史悠久，霄丰富的、可纛的实验数据，设计蕊工已经据准证。只 要按照标准设计加工的节流式流镦计，不需要进彳亍标定，也能在已知的不确定度范围内进行 流墩测量。 节流武差压流量计还存在着一鬻不足，主要表现在“： 测量的重复健、藕确度在溅鬣计中属于中等东乎，由予众多因素静影响罐综复杂，鞲 确度难以提高。 范围度窄，由予仪表信号( 麓愿) 与流量为平方关系，一般范围度仅3 ：l 4 ：1 。 现场安装条件要求较高，如嚣铰长斡毫管道( 指藐援、嚷嘴) ，一般难以满足。 检测件与差压显示仪表之间日f 压管线为薄弱环节，易产生泄露、堵塞、冻结及信号失 真等敞障。 压损大( 指i k 叛、喷嘴) 。 麓压流量计的标准节流装置静节漉件主要存戳“f 类型；i l 援、喷嘴、文丘霆管鞠文匠里 喷嘴。孔板流量计早在2 0 世纪初即用于天然气流艇测量，孔极流魑计已经进行过非常深入细 致的研究试验，以经形成了标准化，在使崩标准张板流量计可以焉须实际校准丽确定差压与 流繁鹣关系，并健算其测量误差，掰藏在全部漉爨计串它夯是瞧一遮诧标准静。 1 0 西南大学碗士学位论文文献综述 13 2 国内外孔板流量计研究的最新进展 针对传统的孔板流量计的一些不足，目前国外孔板流量计在以下几个方面作了一些重要 改进1 。 ( 1 ) 流量测量范围扩展方式改进。在传统的石油天然气测量中，对流量变化大的场合， 传统的做法是同时配备多块卢值( 卢2 为直径比) 不同的孔板或并列儿台流量计，新型智能孔 板流量计如日本s o n i c 公司开发的孔板流量计，其量程比的范围可在流量计算机上进行选择， 在流量计算机上除设有正常流量比外，还设有二个扩展功能，一是为了计量小流量，可将计 量范围扩大到最大可测流量的1 4 0 。这种功能的实现，不用更换孔板和差压变送器，在流量 计算机上采用扩展差压分解功能系统就可完成；另一个姓大流量计量范围的扩展，是将差压 扩大，从而使大流量侧的计量范围扩大的一种系统。另外还有超宽幅的范围方式，量程比最 大可达1 ：1 8 0 ，采用2 台差压变送器，磊自负担小流量范围和大流量范围的测量，各自独立 发信号，流量计算机则把这些信号分成不同领域进行变换选择，并在各领域进行演算，从而 使宽幅范围也能保证较高的测量精度，虽然多投入了一台差压变送器，但是与并列两台流量 计的设备费用相比，既提高了经济效益，又节省了来回切换的麻烦，与采用多块孔板的方法 相比，避免了孔板更换，降低了生产操作难度。 ( 2 ) 孔板元件与二次仪表( 差压变送器及流量计算机) 一体化。传统孔板流量计在应用 中，孔板与二次仪表分开，把差压信号送到中控制进行流量计算，在流量变化较大的场合， 还需配备多块孔板；一体化流量计完全解决了这一问题，使孔板和二次仪表成为体，省去 了引压管道，减少了故障率，改善了动态特性，方便了安装使用，且体积小，成本低，操作 方便，无需现场更换孔板，只需设定量程比即可，受到用户欢迎。 ( 3 ) 自动温度压力补偿功能。孔板流量计的总精度为0 8 5 o ，对孔板流量计来说， 密度不仅是影响流量计特性的晟主要参数，而且又是温度和压力的函数，现场的温度、压力 的波动是不可避免的，因此引起的物性参数的变动是使用时产生附加误差的主要原因之一。 在高精度测量时应特别注意对于可压缩流体，受温度、压力的影响较大，为了保证精确度 常常采用温压补偿。新型智能孔板流量计可将温度和压力信号直接送入现场流量计算机，对 流量进行温度和压力变化时的自动补偿运算，并将精确的流量值送到中控。但须注意的是零 误差的仪器是没有的，若补偿方法不当，有累积仪表误差的可能，增加了故障因素。另外在 某些场合，当流体组分发生变化时，就不能采用温度、压力补偿，而应采用密度补偿。 近2 0 年来，各类新型流量计不断涌现出来，其原因可能与孔板流量计的一些缺陷有较大 关系，孔板流量计的份额成下降的趋势，但是由于孔板流量计在基础工作上做了深入的研究， 已建立起过硬的仪表数据库，产品技术指标可靠，价格便宜，而且随着孔板流量计的不断完 善，新技术在孔板流量计中的应用孔板流量计作为流量计老大的地位在一定时间范围内将 难以动摇。 西南大学硕士学位论文 绪论 第2 章绪论 2 1 研究的目的和意义 我国现有各类仪器仪表企鼗6 千多家，仪器仪表已经澎成门类晶种比较齐全，氛眷一定 技术基础和生产规模的t 业体系，成为娅洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。“九丽”以来， 我国仪器倥表工照慧静形势是商翦发展的，镶售收入啦年平均增长率8 不麟递增，产晶在微 型化、集成化智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展的步伐。但我圊仪器仪表产品， 绝大翩分属于中骶档技零水平。嚣显可嚣性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。 随着现代= _ 】= 业生产的b 速发展，对流量计的璎求越来越高，对流量计的智能化、低功耗、 远狂监控及适感性提出了更高瓣要求。囊扶1 9 7 1 年整舞上醵髓了第一聿孛徽她理器( 美嗣i n t e l 公司4 0 0 4 型4 位微处理器芯片) 以来，微计算机技术得刹了迅猛的发展。嵌入式系统应用于 仪嚣饺裘，出现了“计舞机就是仪器”的提法，瑗在徽妊溪芯片静功能越来越强，扶8 往m c u ， 到1 6 位m c u ，甚者更高的3 2 位m c u 满足了不同屡次的嵌入式运用，近年来发展起来的数字信 号她鹫塞嚣( b s p ) ，运算功能受翔强大，适用予实辩性要求较离、运算复杂瓣场合，智能流量 计已经从较为成熟的数据处理向知识处理发展，体现为故障自诊断；量程变换；工况自适应 改变；温度、鹾力、密度鑫动补偿；网络接入、远程控翩等，使餐然流量计惫更离的堪次发 展。 i l 板流繁计是差燕流量计的一种，研究设计嗣使用历史悠久，萤漉 申的设计加王已经标 准化，我国生产孔板流量计有比较悠久的历史，我国从1 9 7 6 年开始就对节流装置进行了系统 鲍实骏翡究，予1 9 8 1 年出舨了流量测最节流装置国家耪；攫g b 2 6 2 4