（精密仪器及机械专业论文）智能流量计量控制系统及其VHDL实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 随着科技的发展，流量计量技术越来越受到人们的广泛重视。特别在节能工 作中，流量计量将起到极为重要的作用。为提高人们的节水意识并减轻人工抄表 给供水管理部门所带来的负担，近年来远程抄表系统和智能i c 卡流量计得到了 飞速的发展。 本文在传统i c 卡流量计的基础上，研制丌发了一种新型的智能流量计量系 统。采用瞬态流量测量方法三点式压差法进行流量测量可有效避免流量计 量过程对流体特性的影响，能真实反映运动流体的动态特性，有效地改善了流量 计量的性能；测量参数与传感参数间成简单的开方关系，数据处理简单、方便： 传感装置结构简单、成本低，利用模式校币和数据补偿可推广应用于不同尺寸管 道的流量计量，具有广阔的应用前景；压力传感器可以用硅加工工艺实现，本文 的研究成果使流量计量系统的集成成为可能，系统将更加微型化、精确化和智能 化。 本文使用现场可编程逻辑器件( f p g a ) 对整个流量计量控制系统进行设计， 使用v h d l 硬件描述语言进行系统编程。其主要工作包括：( 1 ) 基于多点压差式 流量测量原理，设计了完整的i c 卡流量计量控制系统，模拟实现了其工作流程： ( 2 ) 对系统进行了模块划分并使用v h d l 硬件描述语言对各个接口、控制模块进 行了描述：( 3 ) 使用x i n l i n x 公司的e d a 软件f o u n d a t i o n3 1 i 对各个模块及整个系 统的工作过程进行了模拟仿真，各个模块均达到了系统预定的功能要求。利用 v h d l 设计硬件系统与传统的设计方法相比，具有设计周期短，集成度和稳定性 好，功能的修改和升级十分方便等突出优点。f p g a 芯片性能稳定、功耗低，是 未来数字化仪表系统芯片化发展的主流方向。 本文的工作是实现片上流量计量系统的基础。进一步完善设计、扩展功能， 可以制造出新型的微型一体化智能流量仪表，方便地移植到各种流量计量系统 中，广泛应用于人民生活、工业生产及其它液体、气体流量的计量领域。 关键词：流量计量、智能化仪器、v h d l 、f p g a 、有限状态机 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 ，f l o wm e a s u l e m e n tt e c l m i q u ei s a t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，p l a y i n gag r e a tr o l ee s p e c i a l l yi ne n e r g y c o n s e r v a t i o n t oh e l pp e o p l eb em o r ea w a r eo ft h ei m p o r t a n c eo fw a t e rs a v i n ga n d r e d u c et h eb u r d e no fm a n a g e m e n ti nw a t e rs u p p l yd u et om a n u a lm e t e rt r a n s c r i p t i o n ， r e m o t em e t e rt r a n s c r i p t i o ns y s t e ma n di n t e l l i g e n ti cc a r df l o wm e t e rh a v eb e e n d e v e l o p i n gi nar a p i dp a c e b a s e do nt r a d i t i o n a li cc a r df l o wm e t e r , an o v e li n t e l l i g e n tf l o wl n e a s u r e m e n t s y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，i nt h es y s t e m ，an e wt r a n s i e n tf l o w m e a s u r i n gm e t h o dc a l l e dt h r e e - p o i n td i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o di sa p p l i e d ，w h i c h c a na v o i dt h ei n f l u e n c eo nt h ef l u i d a lc h a r a c t e r si nt h em e a s u r i n gp r o c e s se f f e c t i v e l y a n dr e f l e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ef l u i df a c t u a l l y ，a n dt h e ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h ef l o wm e a s u r e m e n ta v a i l a b l y i nt h i sm e t h o d ，t h em e a s u r e m e n t p a r a m e t e rh a sas i m p l ee v o l u t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h es e n s o rp a r a m e t e r , w h i c hm a k e s t h ed a t ap r o c e s s i n gs i m p l ea n dc o n v e n i e n t av e r ys i m p l es t r u c t u r eo ft h es e n s o r d e v i c el e a d st oav e r yl o wc o s t ，a n di tc a nb eu s e di nt h ef l o wm e a s u r e m e n ts y s t e m w i t hd i f f e r e n tp i p e l i n es i z et h r o u g hm o d e lc o r r e c t i o na n dd a t ac o m p e n s a t i o n ，w h i c h w o u l da c h i e v ei tw i t hab r o a da p p l i c a t i o ns c o p e t h ep r e s s u r es e n s o rc a nb em a d eb y s i l i c o np r o c e s s i n gt e c h n i c s ，w h i c hm a k et h ei n t e g r a t i o no ft h er e s e a r c hp r o d u c t i o ni n t h i st h e s i sp o s s i b l e ，a n dt h ew h o l es y s t e mw i l lb e c o m em o r es u b m i n i a t u r e ，p r e c i s ea n d i n t e l l i g e n t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i su s e dt od e s i g nt h ew h o l ef l o w m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m a n dm e a n w h i l e v e r y h i g h s p e e d h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) i sa p p l i e df o rs y s t e mp r o g r a m m i n g t h ec o n t e n to f t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ep o i n t s f i r s t l y ，b a s e do nt h et h e o r yo f m u l t i - p o i n td i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o df o rf l o wm e a s u r e m e n t ，ac o m p l e t ei cc a r d f l o wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n di t sw o r k f l o wi sa c h i e v e d s e c o n d l y ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e sa n dv h d l i su s e dt od e s c r i b e e a c hi n t e r f a c ea n dc o n t r o lm o d u l e f i n a l l y , a n a l o gs i m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o re a c h m o d u l ea n dt h ew h o l es y s t e mw i t ht h ee d as o f t w a r ef o u n d a t i o n3 1 ip r o d u c e db y x i n l i n x t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef n n c t i o no fe a c hm o d u l eh a ss a t i s f i e d p r e s e tr e q u i r e m e n to ft h ew h o l es y s t e m i n c o n t r a s tt ot r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ， v h d lh o l d ss e v e r a lo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha ss h o r td e s i g np e r i o d ，e x c e l l e n t i n t e g r a t e dd e n s i t ya n ds t a b i l i t y , c o n v e n i e n t f o rm o d i f i c a t i o na n du p d a t eo fs y s t e m f u n c t i o n sa n de t c a sf p g ac h i ph a ss t a b l ep e r f o r n a a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， i tw i l l g r a d u a l l yb e c o m e t h em a i ns t r e a mo fd i g i t a li n s t r u m e n ts y s t e m c h i p d e v e l o p m e mi nt h ef u t u r e t h i st h e s i si st h ef o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no ff l o wm e a s u r i n gs y s t e mo nc h i p t h r o u 曲f u r t h e rd e s i g ni m p r o v e m e n ta n df u n c t i o ne x t e n s i o n ，an o v e ls u b m i n i a t u r e i n t e g r a t e di n t e l l i g e n tf l o wi n s t r u m e n tw o u l do c c u r , w h i c hc a n a l s ob et r a n s f e n e di n t o v a r i o u sf l o wm e a s u r i n gs y s t e m ，a n db ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fp e o p l el i f e 、 i n d u s t r yp r o d u c t i o na n df l o wm e a s u r e m e n to f o t h e rk i n d so fl i q u i da n dg a s k e y w o r d s ：f l o w m e a s u r e m e n t ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，v h d l f p g a ，f i n i t es t a t e m a c h i n e 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，也不包食为获得盘盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 痢讲移 签字日期：妇岁年7 月憎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗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j 酶 i 导师签名： 签字日期：如r 年f 月，0e ：i签字日期：j 却f 年f 月，0 日 大洋人学硕士学何论文 第一章绪论 1 1 流量计量的意义 第一章绪论 流量计量是计量技术的重要组成部分，它与国民经济、国防建设、科学研究 有着密切的关系。流量计量广泛应用于农业生产、国防建设、科学研究、对外贸 易以及人民生活各个领域中。与人们同常生活密切相关的自来水、煤气、天然气、 油等都大量的应用流量仪表进行计量。 流量是工业生产过程和开展科学实验的重要参数，人们依靠这些参数对生产 流程进行监督和控制，并实现生产流程的自动化。流量计量对保证产品质量、提 高生产效率、保障生产安全、改进操作工艺、改善生产条件、完善科学实验条件 及促进科学技术发展等有着极其重要的意义。特别是在能源危机、工业生产自动 化越来越高的当今时代，流量计量在国民经济中的地位与作用更加明显。同时， 流量计量是企业经济核算的重要依据，流量计量准确可靠是保证企业生产高效进 行以及保证最佳经济效益的重要手段之一。 此外，流量计量也是能源计量的重要组成部分。能源是发展国民经济的重要 物质基础。当前能源问题已经成为我国国民经济中的一个突出问题。节约能源， 首先必须对能源进行科学管理，能源的计量测试工作就是对能源进行科学管理的 一项重要技术基础工作。在生产中的水、油、气及其它流体介质，均属于流量测 量范畴。做好这一工作对于节能工作具有重要意义。我国不仅是一个能源消耗大 国，而且能源利用率也很低，比发达国家约低2 0 左右，所以我国节能的潜力 是很大的。在节能工作中，计量仪表是基础，流量计量将起到极为重要的作用。 1 2 流量计量技术及其发展 随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量同益受到重视，流量仪表随 之迅速发展起来。为满足不同种类的流体特性、不同流动状态下的流量计量问题， 近3 0 年来，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量 式流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。 目前国外投入使用的流量计有1 0 0 多种，国内定型投产的也有近2 0 种。随 着工业生产自动化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国 大沣大学硕士学位论文第一章绪论 内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 3 0 。随着流量仪表的迅猛发展，流量标准装置也得到较快发展，流量量值传递 网络已经形成。目前水、油、气、蒸汽高精度的流量标准装置已在国家、省、市 计量机构建立，确保其流量量值传递的准确一致。 下面按照目前最流行、最广泛的分类法，介绍几种常见流量计的原理、特点 及应用概况。1 1 2 1 差压式流量计 差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件 和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置( 检测 件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。通常以检测件形式对差压式流 量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机 械、电子、机电一体式差压计、差压变送器及流量显示仪表。 差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居 首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前 仍是最重要的一类流量计。 优点： ( 1 ) 应用最多的孔板式流量计结构牢固、性能稳定可靠、使用寿命长： ( 2 ) 应用范围广泛至今尚无任何一类流量计可与之相比拟： ( 3 ) 检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。 缺点： ( 1 ) 测量精度普遍偏低： ( 2 ) 范围度窄，一般仅3 ：l 4 ：1 ： ( 3 ) 现场安装条件要求高； ( 4 ) 压损大( 指孔板、喷嘴等) 。 应用概况： 差压式流量计的应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中各种对象都有 应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等：工作状态方面：常压、 高压、真空、常温、高温、低温等：管径方面：从几m m 到几m ；流动条件方面： 亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的l 饵 l 3 。 1 2 2 容积式流量计 容积式流量计，又称定排量流量计，简称p d 流量计在流量仪表中是精度 天律犬学硕十学位论文 第一章绪论 内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 3 0 。随着流量仪表的迅猛发展，流量标准装置也得到较快发展，流量量值传递 网络已经形成。目前水、油、气、蒸汽高精度的流量标准装置已在国家、省、市 计量机构建立，确保其流量量值传递的准确一致。 下面按照目前最流行、最广泛的分类法，介绍几种常见流量计的原理、特点 及应用概况。1 1 2 1 差压式流量计 差匪式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件 和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。荐压式流量计由一次装置( 检测 件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。通常以检测件形式对差压式流 量讲分类，如孔板流量计、文丘早流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机 械、电子、机电体式差压计、差压变送器及流量显示仪表。 差压式流量计是类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居 首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前 仍是最重要的一类流量计。 优点： ( 1 ) 应用最多的孔板式流量计结构牢固、性能稳定可靠、使用寿命长； ( 2 ) 应用范围广泛至今尚无任何一类流量计r , j 与之柏比拟； ( 3 ) 检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。 缺点： ( 1 ) 测量精度普遍偏低； ( 2 ) 范围度窄，一般仪3 ：1 4 ：】： f 3 ) 现场安装条件要求高； ( 4 ) 压损大( 指孔板、喷嘴等) 。 应用概况： 差压式流量计的应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中各种对象都有 应用，如流体与面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、 高压、真空、常温、高温、低温等：管径方面：从几n 1 _ r f l 到儿1 1 1 ；流动条什方面： 亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1 4 1 3 。 1 2 2 容积式流量计 容积式流量计，又称定排量流量计简称p d 流量计，在流量仪表中是精度 容积式流量计，义称定排量流量计简称p d 流量汁，在流量仪表中是精度 2 - 天津人学硕十学位论文 第一章绪论 最高的一类。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，根据测量时逐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 量。容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双 转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量 计、湿式气量计及膜式气量计等。 优点： ( 1 ) 计量精度高； ( 2 ) 安装管道条件对计量精度没有影响： ( 3 ) 可用于高粘度液体的测量； ( 4 ) 范围度宽： ( 5 ) 直读式仪表无需外部能源即可直接获得累计总量，清晰明了、操作简便。 缺点： ( 1 ) 结果复杂、体积庞大： ( 2 ) 被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大： ( 3 ) 不适用于高、低温场合： ( 4 ) 大部分仪表只适用于洁净单相流体； ( 5 ) 产生噪声及振动。 应用概况： 容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量 计常应用于昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测量。工业发达国家近年p d 流 量计( 不包括家用煤气表和家用水表) 的销售金额占流量仪表的1 3 2 3 ；我国 约占2 0 ，其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占7 0 平1 32 0 。 1 2 3 电磁流量计 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体流量的 仪表。电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不宜应用的问题，如 脏污流、腐蚀流的测量。7 0 、8 0 年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成 为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中的使用量百分数不断上升。 优点： ( 1 ) 钡l j 量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体， 如纸浆、泥浆、污水等； ( 2 ) 不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好： ( 3 ) 所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明 显影响； 大津大学硕十学位论文第一章绪论 ( 4 ) 流量范围大，口径范围宽； ( 5 ) 可应用于腐蚀性流体。 缺点： ( 1 ) 不能测量电导率很低的液体，如石油制品； ( 2 ) 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体； ( 3 ) 不能用于较高温度。 应用概况： 电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给、排水工程：中小口径 常用于高要求或难测场合：如钢铁工业高炉风口冷却水控制造纸工业测量纸浆 液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆：小口径、微小口径常用 于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 1 2 4 涡街流量计 涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，使得流体在发生体两 侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡以测量流量的仪表。涡街流量计 按频率检出方式可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式 及超声式等。涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展非常迅速，目前 己成为通用的一类流量计。 优点： ( 1 ) 结构简单牢固： ( 2 ) 适用流体种类多： ( 3 ) 范围度宽： ( 4 ) 精度较高、压损小。 缺点： ( 1 ) 不适用于低雷诺数测量： ( 2 ) 需较长直管段： ( 3 ) 仪表系数较低( 与涡轮流量计相比) ； ( 4 ) 仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。 1 2 5 超声流量计 超声流量计是通过检测流体流动对超声束( 或超声脉冲) 的作用以测量流量 的仪表。根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、 时差法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及 噪声法等。 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无 阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测 量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 优点： ( 1 ) 可做非接触式测量； ( 2 ) 为无流动阻挠测量，无压力损失： ( 3 ) 可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。 缺点： ( 1 ) 传播时间法只能用于清洁液体和气体，而多普勒法只能用于测量含有一定量 悬浮颗粒和气泡的液体； ( 2 ) 多普勒法测量精度不高； ( 3 ) 成本较高。 应用概况： ( 1 ) 传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、怪液、 液化天然气等； ( 2 ) 气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验： ( 3 ) 多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如未处理污水、工厂排放液 等，通常不适用于非常清洁的液体。 由上述可知流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多， 至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适用范围，也都 有局限性。这就要求我们： ( 1 ) 在选择测量方法时，一定要熟悉被测对象的情况，并要兼顾考虑其它因 素，这样测量才会准确： ( 2 ) 努力研制新型仪表，使其在现有的基础上更加完善。 经过对以上各种流量计进行分析比较，可以看出：压差式流量计是发展最成 熟、应用最广泛的一类流量计，但仍存在一些缺点，超声波流量计具有可实现非 接触测量的突出优越性，但成本较高。因此本课题拟采用在压差式流量计基础上 进一步发展得到的三点式压差法测量瞬念流量，该方法既弥补了传统压差流量计 现场安装条件要求高的缺陷，又可以实现非接触测量，且测量装置只需安装三个 压力传感器，结构简单、成本低。其基本原理将在本文第二章进行详细阐述。 1 3 用水管理 随着人类社会的不断进步，工业化进程的不断加快，人类对水资源的浪费、 犬洋人学硕十学位论文 第一章绪论 污染也同趋严重。当前可饮用水资源变得越来越匮乏，改革现有的供水管理体 制，增强民众节水意识，势在必行。1 3 l 因此，全世界各发达国家及发展中国家纷 纷寻找适合本国国情的治水、供水、养水的有效方法。 随着我国城市建设的快速发展城市入口和高层建筑也在不断增多，给城市 供水及用水管理带来前所未有的压力。在我国，居民同常用的水、气等能源收费 多年来一直采用先用、后抄、再付费的传统作业方式。据有关部门统计，仅仅水、 气部门的抄表队伍人数就数以万计，而且人为抄收方式弊端多、工作效率低，给 管理部门造成了人力、物力和时1 1 日j 上的极大浪费。同时，由于城市人口稠密、住 宅分散，人工抄表方式不仅劳动强度大，而且还有很多难以预料的困难，同时也 不利于对水资源的保护，因而提出了智能化管理供水模式，以改善传统模式带来 的欠费、公摊纠纷等引起的经营性困难以及社会问题。 在发达国家( 如同本、法国、美国、以色列等) 由于具有完善的信用卡银行 金融体系及发达的通讯网络，提出了“在线远程抄表系统”。【4 】即采用智能化远 传水流量计，以码读方式读取用户水量后，在银行通过用户帐号进行结算，从而 彻底解决查表、收费难的问题，实现真f 高效、自动化的供水管理。根据抄表方 式的不同，主要分为“电话抄表系统”( 闩本等国家目前多采用这种方式) 和“无 线抄表系统”( 美国多采用这一方式) 两种方式。 然而在我国及一些发展中国家和地区，由于缺乏完善的信用卡银行金融体 系、通讯网络基础不发达，加之人们缺乏保护、节约水资源、自觉缴纳水费的意 识，因此，要在大范围内推广“远传在线系统计费”尚须时f t 。h l 但为加强自来 水管理，解决目前传统管理所带来的种种问题各大自来水公司迫切需要寻求 种真正适合我国国情的管理模式，其中以卡式智能水流量计系统的研制、发展最 为迅速、流行最为广泛。 1 4 国内外智雒流量计的发展现状 国外发达国家由于经济发达、技术完备，现已基本实现自动化远传水流量计 在线计费，如水管理最发达的国家：法国、美国等。除此之外，也有一些研制卡 式预付费限额供水的国家，如以色列研制的拨盘式机械卡式智能水流量计，土耳 其研制的t m 卡式智能水流量计等。 我国目前研制智能水流量计的企业较多，大约有1 0 0 多个在册单位f 在进行 远传式及卡式智能水流量计仪表的研制。其中远传式水流量计已经上市，并在部 分城市小区内使用，如深圳自来水公司靠引进台湾技术研制丌发的远传水流量 计。综合国内外所有产品，国内外水流量计的研制情况可归纳如一f ： 大津大学硕士学何论文 第一章绪论 ( 1 ) 电子水流量计 这类流量计主要解决现有水流量计观察不便问题，它主要由机械装置、一个 将机械流量信号转变为电流量信号的采集装置、信号处理电路、主机电路和显示 器组成。其中信号采集装置由一红外发射器和一红外接收器构成。整机结构复杂， 没有预付费功能，不能从根本上解决自来水行业传统管理模式的诸多问题，因此 不适合作为商品推向市场。 ( 2 ) i c 卡智能水流量计 这类水流量计具有“预付费功能”，即先交费购水，后使用自来水，为实现 限额供水经营管理模式提供了有效的途径。浚表主要由读卡器、控制电路及水量 预购i c 卡构成，保留了原传统水流量计的机具，其结构原理图见图l 一1 。 图1 1i c 卡水流量计原理框图 现有的i c 卡水流量计基本上是采用单片机作为控制核心，负责系统中数据的 传输与处理，而i c 卡用于存储用户用水量、剩余金额等信息，单片机和i c 卡之间 通过i c 卡座进行通信。【6 j 同时，单片机还外挂有报警系统、信号采集系统、控制 输出电路、显示电路、看门狗电路和e 2 p r o m 这样，就构成了一套功能完备的 i c 卡水流量计系统。 结合自来水传统管理模式给整个行业带来的种种问题，并根据i c 卡智能水 流量计自身的特点及其工作原理，提出了i c 卡智能水流量计运行管理模式。概 括起来，其基本的运行管理模式为：申请丌户水量预购申请销户，其水 表运行管理流程如图1 2 所示： a 申请开户：i c 卡智能水流量计在出厂时其内没有任何用户信息，故在用 户初装新流量计后，须持管理部门所发新卡到管理中心申请开户，注册写卡( 开 户卡) ，以建立用户档案，使初装水流量计仪表为合法表：然后将卡插入流量计 天津大学硕士学何论文 第一章绪论 仪表，流量计读取卡上信息入内存，并返写表内信息到卡上为用户及管理部门 同后查询及维护流量计仪表提供凭据。此事务成功完成后，用户方可丌始用水。 图1 2 智能水流量计运行流程图 b 水量预购：开户后，用户须持用户卡预购水量，再将预购水量的i c 卡插 入水流量计，水流量计识别并读取i c 卡上的信息( 如城区代码、用户编号、密 码、水量信息) ，经验证t f 确后，自动- 丌阀供水；当表内剩余水量达到规定的报 警水量或水量为0 时，水流量计关阀并报警提示。 c 申请销户：当用户因调动或搬迁等原因不再需要使用水流量计仪表时， 可持用户卡到管理部门申请销户、结算余额并退费。 近年来i c 卡智能水流量计的研究越来越普及，它具有成本低、便于改装现 有装置、易于管理、可靠性高等诸多优点，可以彻底改变传统水费的收缴问题， 从一定程度上杜绝了用户拖欠水费的现象。是一种比较适合我国国情的新型水流 量计量技术。目前i c 卡水流量计系统已经基本成型，但是真正产品化的过程还 存在着系统功耗问题、抗干扰问题以及系统小型化设计等关键问题，需要进一步 改善。 ( 3 ) 远传水流量计 远传水流量计仅在现有传统水流量计内置“同步计数”传感器并经导线引出 将生成的计量信号经传输线送至集中器，再由管理中心读取用户消费量，其原理 示意图见图1 3 。 远传水流量计自动计量计费彻底解决了收费难的问题，随着通i ；i 乇网络的发 展，推行远传水流量计自动计量计费是自来水行业发展的方向，但由于远传水流 量计对国家的信用制度、通讯网络等技术支撑有较高的要求，因此，它的推广使 用尚须时日。原因如下： a 就水流量计机具本身而者远传水流量计由于测量与控制部分分离，因 天津火学硕十学位论文第一章绪论 而计量信号传输线成为不法分子攻击的目标，例如采取短接等手段破坏计量信号 的正常传输。在当前这种法制不是很健全、国民素质又不是很高的情况下，无法 推广使用。 b 水流量计机具以脉冲方式发讯，无计量数据热备份功能，对抄表器及管 理系统的长期可靠工作性能要求太高，一旦系统环节中出现故障，会丢失计量信 号，无法抄表计费。 c 国内通讯网络不发达须铺设专网，成本较高，限制了它的推广和使用。 图l 一3 远传水流量计自动计费系统 根据上述分析，并结合国内目前水资源状况、社会经济水平及自来水业管理 需求现状，我们可以得到以下结论： a 远程抄表、在线计费智能水流量计是水流量计智能化发展的必然趋势， 但它与社会基础设施建设及社会环境的发展直接相关，因此，目前国内还不具备 推广应用的环境，更重要的它不是大多数自来水管理部门当前所需即限额用 水、用户主动缴费的管理模式。 b 在目前国内人们节水、保护水资源意识较差的情况下，特别是一部分人 用水缴费自觉性不高的情况下，预付费卡式智能水流量计可以解决管理部1 3 收费 难、用户用水分摊纠纷等客观问题，是大多数自来水管理部门急需的。当然，对 有自觉缴费意识的用户而言，也提供了较高的方便性。 基于上述结论。研究并丌发卡式智能水流量计是很具社会效益的。利用i c 天沣大学硕七学位论文第一章绪论 卡流量计量收费系统，不仅可以提高水收费的管理水平，改善我国居民的用水质 量，确保水费的及时回收，同时也是我国金融信息化的一个具体表现。但是，由 于系统本身的研制还存在着一些技术问题，产品还不够成熟，使得目前l c 卡水 流量计系统还没有得到广泛的推广和应用。 1 5 课题的研究背景及其意义 现有i c 卡水表在实际应用中存在如下缺陷：( 1 ) 仍采用传统机械式水表作为 流量传感器，精度低：( 2 ) 流量计量与流量控制分离；( 3 ) 易受外力破坏。因此， 如何设计一种微型化、高精度、高集成度、升级简便的智能化流量计量系统是流 量计量领域关心的问题。本文沿用卡式流量计量系统来实现其“预付费”功能， 并设有液晶显示屏，可方便用户及时查看剩余流量、剩余会额、电池状态、阀门 状态等信息。课题研究的意义在于： 选择了一种简单实用的流量测量方法，增加了流量计量的准确度。利用差压 式流量测量原理测量动态流量，使得流量计量不影响管道流体的动态特性、简单 方便、计量准确，而且随着m e m s 技术的发展，可以微小压力传感器代替传统 压力传感器实施流量测量，使得传感器和系统的集成成为可能。 本文利用现场可编程逻辑器件( f p g a ) 进行系统设计，使用v h d l 硬件描 述语言进行系统编程。利用硬件描述语言设计硬件系统与传统的设计方法相比 具有设计周期短、集成度和稳定性好、功能的修改和升级十分方便等突出优点。 使系统设计和制造易于适应应用条件的变化和用户需求。 可以预见，随着微电子机械系统( m e m s ) 技术和集成芯片技术的飞速发展， 实现非接触式微小流量计的设计将逐渐成为可能。m e m s 的制造工艺是从专用 集成电路( a s i c ) 技术发展过来的，如同a s i c 技术那样可以用微电子工艺技 术的方法批量制造。这也要求使用一种全新的设计方法对整个计量系统进行设 计，使得整个系统电路和m e m s 制造同工艺，最终做成专用集成芯片。在此基 础上研制丌发的未来流量仪表将会更加微型化、智能化、安装方便、性能稳定、 使用范围更广、功能更强。 本文在非接触三点式压差法流量测量原理的基础上，使用v h d l 硬件描述 语言设计完整的i c 卡智能流量计量控制系统，并使用相应的e d a 软件 ( f o u n d a t i o n3 1 i ，x i l i n x 公司) 对其系统功能进行模拟仿真。结果表明，各个 模块均达到了系统预定的功能要求。在此基础上进一步完善设计和扩展功能，可 以制造新型的微型一体化智能流量仪表，方便地移植到各种流量测量系统中，广 泛应用于工业生产、人民生活或其它液体、气体流量计量领域。 天津人学硕十学何论文 第二章压莘式流昔洲鼙 2 1 压差式流量测量 第二章压差式流量测量 流体流动的伯努利方程就是流体运动的能量方程，其含义是：在流体运动过 程中，其不同性质的机械能可以相互转换，但总的机械能守恒。差压式流量测量 技术正是利用了管道中运动流体压能与动能的转换和守恒原理来实现流量测量 的。 2 1 1 基本原型7 】 i 同嗣 i n 一 j 善毒一一一 ! ： 。一 至o 。兰沁 l 爿 二一 缸1 1 1 三 l 毒 五 - , q l i 一 一i 芒坯： 一 i三 幻 t o “t , l l -l l 岁 ， 占l夕 h b l 雠上雌力姚 葛蓬努糍上 图2 1 节流件附近的流速和压力分铂 如图2 一i 所示，当充满圆形管道的单相连续流体流经管内节流件时，由于节 流件的流通截面比管道截面小，致使流体流束局部收缩，在压头作用下，流体加 速，流体动能增加，静压下降，在节流件前后形成压力差( 简称压差) 幻， 印= p i p 2 。 天津大学硕士学位论文 第二章压差式流晕测罐 2 1 - 2 流量方程 根据伯努利方程和流动连续性方程可以导出实际流体的流量方程： 2 南叠4 丽( 2 - 1 ) q ，= q 。，p ( 2 - 2 ) 式中：q ，- 质量流量，k g s ； q ，一体积流量，m 3 s ： c 流出系数； s 一可膨胀性系数； 卢直径比，声= d ，d ； d 一工作条件下节流件的孔径，m ： d 一工作条件下上游管道内径，m ： 口一差压，p a ： 舟一上游流体密度，k g m 3 。 然而，在实际管路中安装节流件将极大地损失流体能量，这在实际应用中往 往是不允许的。另一方面，节流件的引入势必扰乱流场，严重影响待测流体的动 态特性。为此人们开发了利用获取管道中流体动念特性来实现瞬态流量测量的 方法一多点压差式流量测量，从而方便地利用目前成熟的压力测量技术( 包括 非接触式管外测压) 来间接推算出流量。 2 2 两点压差式流量测量 2 2 1 基本原理 8 1 两点压差式流量测量通过管段两点处的动态压力与流量之间的动特性传递 矩阵，根据压力传感器测得的压力值，实时推算出瞬态流量。 吼q a 图2 2 两点压差式流量测量原理示意图 天津大学硕士学位论文第二章压著式流量测量 在如图2 - 2 所示的管路中，上游和下游两截面处的流量和压力之间的动特性 可用传递矩阵的形式表示为： 辫髅， z o s h ( 2 l ) i p , 加) 1 c h ( a l ) l9 f 加) j j ( 2 3 ) 式中：是上、下游两截面间的距离，p ( s ) 是压力变量p 的拉普拉斯变换象函数， q ( s ) 是流量变量q 的拉普拉斯变换象函数，下标, t 和d 分别指管路的上游和下 游，z 0 是管路的特征阻抗，五是管路的传播常数。s h ( x ) 和c h ( x ) 分别表示双曲f 弦函数和双曲余弦函数。 在任意管段，根据式( 2 - - 3 ) 所示的动态关系，只( 5 ) 、q 。( s ) 和尸，( s ) 、q ，( 5 ) 中的任何一个量均可由其他三个量中的任何两个量推算出来。基于这一原理，就 可以得到测量瞬念流量的三种方法，即： 通过测量只和q 推算出q j 一这种方法称为远距离瞬态流量测量方法； 通过测量只和q ，推算出q r ，这种方法称为准远距离瞬态流量测量方 法： 通过测量只和尸，推算出q ，这种方法称为两点压力式瞬念流量测量 方法。 上述三种方法中，第一、二种方法仍要求在被测系统中安装流量计。第三种 方法则只要在管路上安装两个压力传感器即可，该方法简单易行，更能满足实际 需要。 由矩阵传递公式( 2 3 ) 可得变换域内上游流量为： q ( s ) = q ( j ) 只( 5 ) 一q ，( s ) p ，( 5 )( 2 - 4 ) 式中：q ( s ) 2 丽1 ( 2 5 ) 啪) 。丽1 ( 2 6 ) 在时刻忙n a t ，上游瞬态流量g 。( t ) 可由如下离散卷积求得： n i一1 q t l ( n a t ) = g 。( n a t i r ) 只( i a t ) a t 一引n a t i a t ) p , ，( i a t ) a t j = 0 j = 0 ( 2 7 ) 天津大学硕十学位论文第二章压尊式流量洲l l 餐 式中：n = 1 ，2 ，3 ，n ：加权函数g 。( t ) 和g 。，( t ) l h 下两式给出： g 。( k a t ) = a f g 。，( k a t ) = a f ( 2 培) ( 2 9 ) 其中：k = l ，2 ，3 ，n 。一i 。 这里上标+