（检测技术与自动化装置专业论文）基于零功耗脉冲传感器的智能流量积算仪的研究.pdf

中文摘要 针对目前国内许多测量天然气的场合还在大量应用机械式罗茨流量计的现 状，研制一种基于零功耗脉冲传感器的智能流量积算仪。积算仪将罗茨流量计的 计量原理与单片微机结合起来，配合一定的电子线路和软件，开发成具有多种功 能、数字显示的智能型表头。 脉冲传感器选择韦根传感器，是一种零功耗磁敏传感器。韦根传感器的使用， 从根本上改善了信号采集部分的性能，在保障精确测量机械转子转动的同时，不 消耗系统的电能，为流量积算仪实现低功耗、高精度测量提供了良好的基础。在 全量程范围内依据脉冲频率的大小对流量积算仪的仪表系数进行分段修正，从而 获得准确的仪表系数。脉冲频率的采集依据大流量和小流量两种情况分为直接采 集和测周期转换频率两种方法，从而达到理想的效果。为了获得对气体高精度的 温压补偿，利用压缩系数z 弥补理想气体状态方程的局限性。根据对比态原理， 推导出一种计算压缩系数的数学模型，算法简单准确，利于单片机的实现。另外， 系统配有标准电流输出模块和基于g p r s 网络的无线数据传输模块，可以根据实 际需要选用，选用时必须采用外部电源供电方式。 经过理论推导和试验研究，证明这种智能流量积算仪能够在低功耗和高精度 两个方面取得很好的效果，并且设计方案切实可行，已经逐步在市场上应用。 关键词：流量积算仪韦根传感器零功耗压缩系数温压补偿g p r s a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ei n t e r i o ra c t u a l i t i e st h a tag r e a td e a lo fm e c h a n i c a lr o o t s f l o w m e t e r sa r ew i d e l yu s e di nn a t u r a lg a sf l o wm e a s u r e m e n t ，as o r to fi n t e l l i g e n tf l o w t o t a l i z e rb a s e do nz e r op o w e rp u l s es e n s o ri sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ef l o w t o t a l i z e rc o m b i n e st h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fr o o t sf l o w m e t e rw i t ht h es i n g l ec h i p m i c r o p r o c e s s o ra n dam u l t i f u n c t i o n a la n dd i g i t a li n t e l l i g e n th e a do ft h et o t a l i z e ri s e m p o l d e r e dw h i c hi se q u i p p e dw i t hs o m ee l e c t r o n i cc i r c u i ta n ds o f t w a r e t h ew i e g a n ds e n s o rw h i c hi sak i n do fz e r op o w e rs e n s o ri sc h o o s e da st h e i m p u l s es e n s o r t h ea p p l i c a t i o no ft h ew i e g a n ds e n s o ri m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h es i g n a la c q u i s i t i o na n di tc a nm e a s u r et h et u r n so ft h em e c h a n i c a lr a t o ra c c u r a t e l y a tt h es a m et i m e ，t h es e n s o rd o e sn o tc o n s u m ee l e c t r i ce n e r g yo ft h es y s t e m ，s ot h e r e a l i z a t i o no ft h et o t a l i z e rw i t hl o wp o w e ra n dh i g ha c c u r a c yf l o wm e a s u r e m e n ti s o f f e r e dt h ef a v o u r a b l eb a s e i nt h ef u l lr a n g et h em e t e rf a c t o ri sr e v i s e di ns u b s e c t i o n a c c o r d i n g t ot h ec h a n g eo ft h ep l u s ef r e q u e n c y ，s ot h a tt h ef a c t o rg a i n st h ee x a c td a t a t h ea c q u i s i t i o no ft h ep l u s ef r e q u e n c yi sp e r f o r m e db yt w om e t h o d sw h i c hi n c l u d e d i r e c ta c q u i s i t i o na n dm e a s u r i n gt h ep u l s ec y c l ea c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o nw h i c hi s e i t h e rl a r g ef l o wo rs m a l lf l o w i no r d e rt og e tt h eh i g ha c c r u a c yt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ec o m p e n s a t i o n s ，t h ec o m p r e s s i o nf a c t o rz i su s e dt or e m e d yt h el i m i t a t i o no f s t a t ee q u a t i o no fi d e a lg a s o nt h eb a s eo ft h e o r e mo fc o r r e s p o n d i n gs t a t e s ，t h ep a p e r d e d u c e sas i m p l ea n de x a c tm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h ec o m p r e s s i o n a l f a t o ra n dt h em e t h o di sb e n i f i c i a lt ot h er e a l i z a t i o no ft h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o l i na d d i t i o n ，t h e r ei sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do ng p r sa n ds t a n d a r d c u r r e n to u t p u tm o d u l ei nt h es y s t e mt h a tc a nb ec h o s e nb yt h ef a c t u a lr e q u i r e m e n t a n de i t h e ro fm o d u l e si sc h o s e n ，t h es y s t e mm u s tb ee q u i p p e db yt h ee x t e r n a lp o w e r s u p p l y t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h a tt h ei n t e l l i g e n tf l o wt o t a l i z e r h a sf a v o u r a b l ep e r f o r m a n c ei nl o wp o w e ra n dh i g ha c c u r a c y t h ed e s i g ni sf e a s i b l e a n dt h et o t a l i z e ri sb e i n ga p p l i e ds t e pb ys t e pi nt h em a r k e t k e yw o r d s f l o wt o t a l i z e r , w i e g a n ds e n s o r , z e r op o w e r , c o m p r e s s i o nf a c t o r t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o m p e n s a t i o n s ，g p r s 独创性声明 本久声明所呈交静学镗论文是本a 在导繇指导下遴行的研究工作和取褥的 研究成果，除了文中特另t l j l l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰霹过兹研究残袅，也不迎含为获得垂逮盘堂或其弛教育枧梅勰学位或证 书而使用过的材料。与我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：孟襁签字 j 翔： 年j 月 嗣 学位论文版权使用授权书 本学位论文终者完全了解基建盘堂有关裸露、使用学位论文鲍觌定。 特授权墨盗熬鲎可以将学位论文的全部硪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 两莺豢有关部门或税秘送交论文豹笈露 争蠢磁蕴。 ( 保密的学位论文谯解密后适用本授权说明) 学缱论文终蠢签名：盂癣藿曼 警斐萋签名： 氮冬 签字鞠期：o ! ；年 1 月l 。日 签字日期： l ，年礓月 阳 第章绪论 第一章绪论 计量是工业生产的眼睛。流量计量怒计量科学技术的重要组成部分之一，它 与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。特别是在能源危机、工业生产 自动纯程澎愈来愈高的当今时代，流量诗在国民经济中浆建位与 乍蠲受耱明显， 被广泛应用于工农业生产、国防建设、科举研究对外贸易以及人民生活各个领域 之中。 流量的精确测量对机械、石油、化工、冶金、电力等部门提高产品磺量和科 研数据的准确性，对节约能源、提高能源的利用效率都有着重大的现实意义。只 有瓣滚量进行精确豹测量，才筑锻羁“熬g l 有数，节麓套据”。人类对流爨溅塞 方法的研究及流量测擞仪表或装鬣的研制、开发已经走过了一段漫长的，曲折的 掰程，对可汝利用的物理原理、现象与方法都进行了尝试【lj - 4 1 ，并成功地设计出 了多种流量仪表，满足了生产的基本需要。 随着工般生产和科学技术地发展，流激测量技术发展十分迅速，新型流量测 量方法帮仪褒不甄灞魏熙基兹，市场上大约青超过1 0 0 多静瓣流量铰袭融1 7 1 。 然而，没有种流量仪表是“放之四海而辫准”的。每种流量计在针对不同地被 测流体、不问的流动状态、不同的测量场所，有其优势和劣势。比如在天然气流 璧溅量中，罗茨流量诗起羞菲鬻霾要懿终攥【8 】嘲。 流量仪液的分类方法很多，歪今国内外还没有统一的标准。表1 列出了工业 生产过程中常用的七大类流量仪裘的型式及蒸主要性能特点f 1 0 l 。 类型擞型代表适用介质准确度量程范围 活用管径( r a m ) 价格 蒸汽柬空气( )簸丈最，l 、 差雁型孔板，文式管 23 ：l - 5 ：11 0 0 02低 变甄积壁转予流量计 ， 0 2l o ：l 2 0 0 5 0 较诋 振蔼型涡街流量计 12 0 ：13 0 02 5较高 电磁型电磁流量计 0 51 0 0 ：1 3 0 0 0 2 较高 越声波堑多营鞠涟量诗 ll o ：l2 0 0 01 0较氍 动嚣矩型涡轮流量计 0 5l o ：l6 0 01较低 正俄移型椭圆齿轮流量计 x 0 5 2 0 ：l3 0 0 ，5 适中 天津人学硕士学位论文 1 1 国内外流量积算仪的发藤过程和现状 奉文流量积算仪据罗菠瀛_ 羹诗，又名蓑轮淀鲞诗，是秘容积式滚 鬟计，已 经有了几十年的应用历史。容积式流量计即是表1 1 所提到的正位移剡流量计， 又称排量流量计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o w m e t e r ) ，简称p d 流量计或p d f ，在 流量仪表中是精凄激齑静一类。它稳蜀瓤械测量元件疆流体逐续不鼗戆分割减单 个已知的体积部分，根据计量黛逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数 来溅量滚鬃体积总燮。定排量测量方法可追溯到1 8 世纪，2 0 世纪3 0 年代进入 酱遍商业应用。表1 一l 显示正位移型流鲞计通常不适用于空气等气体的测量，实 际上主要是指椭圆搬轮流量计。而罗茨流量计在气体测量中占有着重装的地位， 楚专门爰_ 寒检测滚经管道各类气体( 天然气、蠛索漾气爰其锪无囊链毽气体等) 浚 潦值最佳的仪表。它计量准确、安装方便、使用寿命长。 传统的容积式流蓬计是剥用转子的旋转带动机械或磁性逶轴器，邋过调速桃 构减速、调比后蹙给诗数器，实现流量触计算和鬻示。上海浚辩的a k l l q s j 系 列的机械式罗茨流鬃计是一种比较典型的机械表头流量计，矮外形示意图如图 1 1 踬示。 图1 1 机械型流量计外彤示意图 图孛：o i 一转子徽一字轮显示器0 3 袁体斛一璃盖0 5 隔扳 传统机械式表头有许多弊端【”1 ：一、摩擦力大。表头的摩擦力作用于转子轴 羔，增大了转予的转动力矩，搜滚量诗援力损失增大；二磁镪退磁。囱予某些联 因引起磁铜退磁。随着磁力的减小，磁性连轴器产生的扭力减小，当不足以克服 裹头的机械摩擦力时，造成漏计；三、调节齿轮一缀确定，表头只有一个传动比， 对滚量诗簿线槛的误差特整熬修蓬能力菠。 针对流量计的零部件加工与装配之间的误差，机械式流鬣计普遍采用了容鍪 享b 偿机构f 1 2 】。机械式蜜差补偿枧构是在主轴转数向机械计数器传动的拨轮系的巢 太沣人学硕士学位论文 个环节搠装一个差动轮系机构，人为地为齿轮传动增加或减少一个n 的补偿量。 容差补偿机构的使用，提高了机械式流鬣计的计量精度，但是仍然存在希不可克 服鳃缺点。首先，流爨诗正掌工馋时其主 ；| | 必须带动一蓥套巍轮传动系统与巍羧 计数器，不仅结构复杂，而且翁磨损和出现齿轮打滑、掉齿，在小流鬣段因负荷 熏而影响熬机精确艘【l 副；其次，更换齿轮时必须停机更换，影响连续稳定的生产； 褥次，容茇於楼的竭浆性是葵主要缺熬。蠢裁掰透，其静馁羹a n 是对每个漉璧 点同时增减的，这就是说它只能使原有的特性曲线在误差的方向实现上下平移， 即只能消除圈毒偏熬，两不能提高原有曲线符合糙确度要求线性蕊围段隘外流燮 点的精确陵。 近年来国内外仪表厂家为了提高罗茨流量计机械制造的精度，采用了新工艺 农囊耪辩，在撬壤熬王方瑟麸粳本上鬟麓了罗菠浚星诗翡精渡。翻麴，美藿戆蘩 赛公司利用先进技术和设备生产研制的b 3 系列罗茨流量计，表体组件都是经过 精密加工丽成，其计量精度受气体比重、压力和流最变化的影响很小。国内许多 流萋诗生产厂商绣纷与重矫厂家台 挈，零j 逶先遗技术和生产设备，德离套己生产 流量计的梢次，也为罗茨流量计在中国的发展开掰了广阔的市场。 瞻蓥漱子技术、材辩科学、诗算掇技术鳇发震，为罗茨滚量计的应用注入了 新鲜的活力，国内外研制的新篷罗茨流缴计产品在电远传、现场显示、测量精确 度、流体的适用范围等方面有了长足的j 挂步。罗淡流量计已由过去的纯机械式， 发震裂了辍藏式、滚予式多零孛瓣量方式。毫予式袋头鹣应羯# 4 】 1 s l ，熊够在缓大 程度上克服机械式袭头罗茨流蠡计的固有缺陷，在一定范围内减轻了单纯提高机 械加工精度的负担。采用电子袭头，彻底消除了桃械磨损带寐的误差，大幅度改 藩了祝藏逡滞，徽处理器的弓i 入使罗茨流量计实璇了智能化。 目前程国内，机械式的罗茨流量计逐在大量应用，但是从未来的趋势来看， 逛子式必然是将来豹发展方囱。毽是，爨麓在枣场上应霉弱滚子式表头气体罗茨 流量计也存在着明擞的不足之处。比如采用电子式液头之后，相对于机械式表头， 流量计的测量精度和范围有了很大提高，但在气体测量中，精度等级仍然不赢， 大多为l 缀， 5 缀秽2 5 级，相对误差在l 。0 之上，帮毽蠢少量静气体罗茨流 量计精度可以达到0 5 以下，也大多怒直接引入的国外产晶，而且由于价格过 予昂贵，若不蛰合中匿鲍国潜。另外，隧着天然气行业的蓬勃发展，对计量天然 气的流量计的低功耗簧求越采越高，如筒在保障计潼精度的同时大大降低流量计 的工作功耗，延长流照计的使用寿命，是摆在罗茨流量计研制者面前的大难题。 铺章绪除 1 2 课题獗究的肉容和剖耨点 本漾鼹蕊要磺铡鲍渡壁鬏雾仪是爨爝天然气巷隽潼髂遴抒测量，逶过零功耗 的磁敏传感器，使流量信号的可靠性得到进一步的提高，再利用压缩系数z 对理 想气体状态方程修正，实现糟确的温压补偿，使流量仪表工作智能化、科学化。 闲时，系统中还具有基于g p r s 两络的无线数据传 送模块，可以进行各种数据的无线传送。 本课题所要磺究的主要内容有： 1 、罗茨流鬣计的工作特性和谈麓分析； 2 、零功耗传感器的应用和信号的处理； 3 、滚量诗仪表系数静棼线性於褛； 4 、理想气体方程的应用及其局限性分析； 5 、剥用压缩系数z 对予理想气体方程进行修正； 6 、萋予g p r s 网络遴行无线数据传输。 本课题研究的创新点有： 1 、零功耗磁敏健惑器应用予罗菠浚藿瑷箕仪，对滚鳖积募仪缆壤转子的转 激进行精确的检测，此种检测方法不需舞放大电路，误差小，精确度简，不需要 消耗电池的能量。 2 、稠愆压缭系数z 辩毽惩气蒋方毅遂雩亍穆歪，提高了流量诗翡溺藿糖度。 3 、利用g p r s 网络平台实现数据信息的无线传输，解决流量积算仪各种数 据的无线传送的问题。 1 3 课题研究的目的和意义 针对阁内气体罗茨流量计的现状，本课题的研究目的是利用智能化手段提高 流量计在气体流量测基中的准确度，厨对降低系统斡功耗，从丽使气体罗茨滤爨 计得到更广泛的应用。 本课题的研究意义在于利用零功耗磁敏传感器从根本上降低了流爨计的功 耗，壤长了滚量诗黪霞焉寿鑫；弱露对联怒气癸懿修歪，更蠢簸戆实瑷湛度压力 补偿，提简了流量计的精度。超低功耗的设计和高精度的实现，使智能流量积算 仪的应用范围大大增加；研制新型流量计的同时，尽量降低成本，使流量计更加 适用于中麓霞猿。 九洱+ 凡学硕十学化论文 一塑筐兰簟掣业塑璺 第二章信号的检测及处理 对于罗茨型流量积算仪来讲，精确的检测机械转子的转动信号是最为重要 的。本章介绍了几种最为普遍的转速传感器，分析了各自的优缺点，提出利用零 功耗韦根传感器对转子转动信号进行检测，把转动信号变为脉冲信号，利于系统 的榆测。本章首先介绍了容积式流量计的原理，分析了其流量误差特性，在大量 试驰的基础上，提出利用检测脉冲频率修订三仪表系数的方法，经过实践证明有着 良好的适用性，提高了积算仪的测量精度。 2 1 容积式流量计的原理 罗茨流量计是一种容积式流量计( p d f ) ，其计量原理与其他类型容积式流量 计相同，流量误差特性相近。因此下面首先介绍客积式流量计的工作原理，然j 焉 分析其误差特性和影响因素，为其后流量计的仪表系数修正方法提供了理论基 础。 2 1 1 原理概述 容积式流量计( p d f ) 从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动 机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流 出两端形成压降。其中，椭圆齿轮型容积流量计和罗茨型容积流量计足最常用的 容积式流量计，几何结构示意图分别如图2 - 1 ，图2 - 2 所示。 容积式流量计，儿何结构示意图分别如图2 1 ，图2 - 2 所示。 图2 - 1 椭圆齿轮几何结构示意固图2 - 2 罗茨( 瞪轮) 客积流量计 第二：章信号的检洲披处珥 第二章信号的捡测及处理 对于罗茨型渡燮粳算仪来讲，精确熬检测凝缓转子黪转动痿号蹩簸为重要 的。本章介绍了几种最为普遍的转速传感器，分析了各自的优缺点，提出利用零 功耗韦根传感器对转予转动信号进行检测，把转动信号变为脉冲信号，利于系统 豹检溺。本章蓄先分绍了容稷式流量计的原理，分褥了其流羹误差特经，在大蠢 试验的基础上，提出利用检测脉冲频率修正仪表系数的方法，经过实践证明有着 良好的适用性，提意了积算仪瓣测量糖度。 2 1 容积式流量计的原理 罗茨流量计是一种容积式流量计( p d f ) ，其计煅原理与熟他类型容积式流量 计糨同，浚璧误差特性相近。瓣此下面罄先分绍客较式流量计鲍工作溅淫，然蜃 分析其误藏特性和影响因素，为箕后流嫩计的仪表系数修正方法提供了理论基 础。 2 1 1 原迸概述 容积式流量诗拶d 玲从朦瑗上谫是一台铁流 拳中吸收少量能量鲍水力发动 梳，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，间时在仪表流入与流 出两端形成压降。其中，椭圆齿轮型容秘流量计和罗茨型容积流量计怒爆常用的 容积式滚爨诗，足露缝穆示意鞠努爱懿阗2 - 1 ，蚕2 - 2 瑟示。 a ， 图2 - 1 椭圆齿轮凡侮结褐示意匿圈2 - 2 罗茨f 簇轮) 容积流量计 第二j 章信号的检测及处理 典型的椭圆齿轮式p d f 的( 作原理如图2 3 所示阑。两个椭圆齿轮具有相 互滚动进行接触旋转的特殊形状。p 1 和p 7 分别表示入口压力和出口压力，显然 p l p 2 ，隧2 3f a 下方齿轮在嚣铡匿力差豹，f 乍蠲下，产生逆时针方良浚转，为主 动轮；上方齿轮困两侧压力相等，不产生旋转力矩，足从动轮，由下方齿轮带动， 顺时针方向旋转。在图2 3 1 位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩， 继续旋转。旋转到潮2 - 3 蠢) 位嚣时。上方齿轮变为主动轮，下方蠢轮羽成为觚动 轮，继续旋转经过图2 3 ( d ) 位履到达与闼2 3 ( a ) 相同位置，完成一个瓶环。饮 缀环动作撼 = 四个由齿轮与壳蹙闻围威的薮月形奎腔数流体体积，该体积称 乍滚 照计的”循环体积”。 图2 3 椭圆齿轮流量计工作原理 设瀛爨诗”循环体积”为v ，一定辩阍蠢齿轮转动次数为n ，羹在谚对闻内滚 过流量计的流体体积为v ，则 v = n v ( 2 一1 ) 椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指 示出流经流量计的总量。若附加发信装鼹后，再配以电显示仪表可实现远传指示 瓣对滚量藏暴鬏流爨。 罗获型容积流燃计又叫做腰轮流量计，这种流量计的计量原理和工作过程 与椭圆嚣轮型基本棚同，同样是依靠进出口浚体压力差产生运动，每旋转一周排 出西份“计量空间”的流体体积爨所不嗣的是在麟轮上没有诲，它稻不是直接稠 互啮合转动，而是通过安装在究体外的传动齿轮组进行传动。 2 1 。2 容积式流量计的结构 p d f 撼种繁多，结构形式亦多萃申多榉，但其主饔部件缝成大同小努，现举麟 轮流量计作为范侧说明。 腰轮流量计的构造框图如图2 - 4 所示1 1 8 川9 1 。流量由测量部和积算部两大 部分组或，必要时霹瓣热自动潺凄羚偿嚣、叁动压力孝 偿器、发售嚣静麓湿延 枣 6 天津人学硕t 学位论文 第章信号的检测及处理 件等。 1 ) 计爨室：腰轮流量计由对腰轮和壳体构成，两腰轮是有且为熬轭曲线的 转子，鄯罗茨( r o o t s ) 轮，与壤轮嗣骧装鸯驱动溢轮，被测滚量推动转子旋转， 转子间出驱动齿轮相互驱动。腰轮、计堂室壳体一般由铸铁、铸钢或不锈钢制成， 露根据流体腐蚀性及其工作压力、温度选用。计量室也有单独制成，与仪表外壳 分离，这榉诗量室靛不承受羚篷，没有静压弓| 超炎形静醛热误差。 2 ) 传幼机构：传动机构包括磁性联轴器( 或机械密封装鬣) 和减速变速机构。 变速调整枧构由“拨轮对”缎食两成。 ，翼篓塑，_ 。、， 塑蔓! k v “、r 一v 一 偿单元赫 孛发攘嚣 指示袭妊 阐2 4 腰轮流量计的构造框图 3 ) 积算器和指示表头：类型较多，有指针式指示和数字式指示：有不带复位计数 器窝繁复霞诗数器；迄套带爨霹滚量；鹭示，赘努帮撬，带竣定都，等麓。 4 ) 自动温度补偿器：对被测介质温度变化影响进行连续自动补偿，有机械式、也 有电气电子式。 5 ) 自魂嚣力幸 偿器：对被测介质静压变化影响彳# 鑫动修正。 6 ) 发信器：多种形式，有接触式和非接触式。 2 1 。3 吝摹爻式流量计酶误差特性及影陶因素 对流爨计来说，了解其流最一误差特性是重要的一环。因了解流量跨误差 之后，髓够在流量计的指示毽上翔上它的误差修茁值，从而可求褥流爨计量静正 确值。在大多数的情况下，流嫩计的误麓都是随流最的不同而数值不间，而容积 式滚量诗则不固，黠l 逡进嚣分椽磅究 2 0 l 。 容积式流量计的测量原理如前所述，是在一定的空间爨充满的流体，随流 _ 鏖计内部的运动容积计量部件的移动而被送出出口，在这个过程中，流体一次次 德充滚滤蹙诗熬空麓，然后又不舔蟪被邀茬塞目。测量这静遴密流傣鹃次数，就 可求出通过流量计的流体体积的累积值。 如果流量计的察积计量部件的单元餐积为v ( 耐) ，运动察积计量部 孛通过与 查堂查兰婴。1 兰! 垡望茎一笙= j 兰羔至塑塑塑坠! 坠型 部件运动方两穗垂瀛的莱一阉定平面豹次数为n 。鲻在n 次动作的时间内流过 的流体体积v 如式( 2 1 ) 所示。 一定时闲内运动帮 牛所搀懿动 乍次数n ，遴遘齿轮传动瓿鼹，使刻度盘上 的指针转动，由此盥示通过流量的体积。若通过体积的指示值为i ，则有关系式 i = n n ( 2 2 ) 式中，蛙菱流董诗遴耱转动院，为零数。交( 2 一1 ) 式帮( 2 * 2 ) 式可褥 v = iv ( 2 - 3 ) 容积式潍量计邋过体积的测量误差e ，通常表示为 e = f i v ) i ( 2 4 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 - 4 ) 得 e = i 。v 疆 ( 2 - 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，容积式流量计的误差特性仅与流量计内部的容积计量部件 的容积v 、仪表齿轮比常数强有关。 衢潜豹流量谟差特性，就是指瀛蕊诗靛诶蒺僖与瀛爨溺萤值之间的关系。 讨论误差特性，就魁讨论和研究测量误麓值，随流量测量值变化而变化的趋势。 从式但一5 ) 中褥知，从测量原理黥翅度来说，容积式滚量计的测量误差仪与流量诗 的几何结构有关，而与流体髋质和流量德无关。这种状态下，就是人们所称的， 理想的容积式流量计的误差特性。其理想的误差曲线如图2 - 5 中曲线1 所示。然 露，对骞秘式浚量诗连行实瓣标定窝试验结果，囊委瓣误差虢线舞蛰2 - 5 中麴线 2 所示。 e 从图2 中可看出，在流量较小时谈差急剧地向负方向倾斜；随赣流量的增 大，误差德逐濒由受方向自正方向移动，囊至稳定在菜一定俊上，误差趣线平嚣 子横轴，使得误差趋于零。流擞继续增加，误差值又逐渐偏大r 并向灸方向偏移。 蜜际的误熬特性曲线所以呈现这种变化趋势，是因为有部分流体，通过运动部件 搴瑟终壳之澜豹运藩，滚彝壹接获稳入露漆至窭蜀，没套竣诗爨。氇裁怒流量诗中 存在着不可避免的泄漏或漏流现象。在这种情况下，讨论分析容积式流量计的谖 燕特性，就必须考虑漏流的因索误差【2 “。 天津大学磷 一学何论文 第章信号的检测及处理 假定在草位时阙内，流体的漏流量为q ，通过流量计的流量为q ，通过流 量计的总的流体体积为v ，在这一段时间内总的漏流体积擞为v ，故v 可表 示为 a v = a qv q ，( 2 - 6 ) 所以，当存在漏流时，流量计所排出的体积为n 个v 时，其实际通过流量 计静滚俸俸积为 v = n v 十v( 2 7 ) 将( 2 * 2 ) 和( 2 6 ) 代入( 2 7 ) 可褥： v i a v + a qv q 。 一iv a ( 1 - a q q v ) 】 ( 2 8 ) 将 大洋人学硕士学位论文 第二章流攮检测的湍度乐力补偿 式中，n 为气体瀚物质的：辍；r 为通用摩尔气体常数，数值为8 3 l j ，k m o l ；p 、 v 、t 分别为气体的压力、体午只、温度。 在天然气款滚爨测量中，由予各逢弱工况状态不蘑，嚣爱垮滚整转纯为统一 标准下的气体流量。为了把工况下的体积转化到标准状况下，式( 3 1 ) 也可以改写 成： p 1 v t t 1 = p b v b r( 3 2 ) 式中，p b 、v b 、t b 为标准状态下的压力、体积和温度；p l 、v l 、t 1 为工况 条件下的压力、体积和温度。 标准状况下的p b 和t b 都是定值，所以只要测量出工况下的温度、压力，利 用公式f 3 2 ) 可得转换公式 vb = 簪 p 3 ) 显然上式达到了一定的瀑厥聿卜偿髫的。 嗣蓊颡肉一般趣定天然气的标准状态下翡攫力、温度为； p b = 1 0 1 3 2 5 1 0 ，t b = 2 9 3 1 5 k ( 2 0 0 c 1 3 。l 。2 实际气傣的性蒺和理憋气体应用的罱限往 前西所讲，理想气体是假想出来的，真实上并不存在的一种气体。理想气体 存两个鬣设，一是气体分子闻冤幸# 露力，二是气体分子不占有体积。在温度不太 低、压力不太大时，真实气体基本上满足理想气体的条件【3 4 1 3 5 1 ，完全可以按照 公式d 3 1 遴行湿压零 偿。僵楚，熟巢气诲温度太低，缀褰爨被渡让，从嚣不遵守 理想气体状态方程。同样，鹾力过大时气体也不稼遵守理想气体状态方程【3 6 】。压 力过大导致气体分子浓度变大，即单位体积内的气体分子数变大，从而气体分子 之溺豹稳互 睾强力麓寒越显蔫蠢不麓忽海；霜露，峦予分予之阕距亵酌臻，j 、，分 子本身的体积也不能被忽略：这样，压力太高时，气体的转换便不能鞭按照理想 气体状态方程计算。下文从聪力体系上分析实际气体和理想气体的区别f 3 6 】。 气体体系压力与气体分予的平动动能有关，识和分子力有关。因此，气俸体 系压力来源：一是气体的固有压力；二足气体内聪力。 出气俸分子鑫努霉毒乎动产生弱嚣力躐锻气髂戆霆鸯舔力，蠲p 自表示，气 体的固有压力可用溅( 3 4 ) 来袭示。 ，) 乓= 詈。 1 1 w 产矬k p 内= o 时，p 与p 自相等。即分子之间没有中# 用力时，气体固有压力就等于 气体体系蕊力。当气体分子之间作用力为0 时，气体体系的固有压力就等于理想 气辱摹竣态下豹气俸钵系压力。 为了说明真实气体与理想气体的差异程度，定义压缩系数z 。所谓压缩系数 z ，是用来德量实际气体接近理想气体稷度的参数。 z = p v ，n r t ( 3 6 ) 上式可以改写为 p v ：z 硪r ：z m k r ：zn 艘：z n rr(3-7) mm “砘 式中：p 一气体体系的绝对压力，p a ； 天津火学硕七学位论文 第一：章流鼬检测的瓣鹰压力补倦 v 一质登为m 的气体体系的体积，m 3 ： z 一气体的压缩系数，无因次； 瑚一气体馋系的黢潼，g ； m 一气体的摩尔斌量，g m o l ； n 一气体体系的分予个数； n o 阿伏蕊德罗鬻数，n 0 = 6 。0 2 2 ) 1 0 2 3 个m o t ； u 一气体的分子鲞。 由( 3 + 7 1 式变换懋： p ：z 翌旦t ：z n k 丁( 3 - 8 ) vn o 篦较( 3 8 ) 弱( 3 4 ) 式，霹缮： p = z p 自( 3 - 9 ) 或是： z p p 自( 3 一l o ) z 是逶结p 和p 自的纽带，是气体体系压力与固有压力之比，是体系分子作 震力的黪捱系数，襄宏鼹反映了分子终髑力对气钵体系压力p 憋影响，途裁是愿 缩系数z 的物理意义。 有( 3 - 9 ) 和( 3 5 ) 式整理可樗： 最= 生兰p ( 3 1 1 ) ” z 下懿我们结合( 3 5 ) 式对( 3 一1 1 ) 进彳亍讨论。 当z 1 时，p 卉为负，p l 对，p 自为歪，p p 自，内嚣力捷气髂体系鹾力身高，这谖臻z | 时，r r l ，分子之闻豹褶鬣作用力等予0 。 由此可见用压缩系数来描述气体分予之间的相互作用力十分方便。 表3 - 13 静嚣力诗羹缕装 户 怕 ， m p h箫因次 i o0 龉2 b 3 m _ _3 2 + 6 6 5 5 柏i2 0 a 5 0 b 0 l + 斟1 2 1 0 4 ；9 4 1 2 d 8 4 4 1 1 4 天津人学硕十学位论文 第二章流鳍榆洲的温度压力补偿 现将甲烷在温度为3 0 4 7 k 条件下3 种压力计算结果在表3 - 1 中列出。 从表3 1 中可以看出：随着p 增加，p 自由负变正；p 4 0 m p a 后，pm 随着p 增加而增加速度越来越快；p 1 0 4 9 4 m p a 后，p 自 p 自；随着p 增加，p 自也增 加：p 4 0 m p a 后，p 自随着p 增加而增加的速度越来越慢。 在实际测量过程中，气体体系压力p 可用压力测量仪器测量，它是体系内两 种压力p 自和p 自的综合体现。流量计测量过程中测量的压力就是指的气体体系 压力p 。因为p 自是气体体系分予自身固有平动产生的压力，从逻辑分析角度提 出的是完全必要的，但就压力测量特征看，p 自、p 、p 自并无差别，故p 自一般不 能通过压力测量仪器测得。p 自有一个重要性质，即在一定温度下pi i 与n 、气体 密度p 、气体重度y ( 即单位体积分子的重量) 都成正比，所以p 自可以通过测量其 他参数间接获得。同样p 自也是从逻辑分析角度得出的，所以p 自也不能通过压 力测量仪器测得。 从上述材料可知，只有当压缩系数z = l ，即p 自一o 时，实际气体z l 筲合理 想气体的性质。而对于真实的气体，p 自不为0 ，当压力p 较大的时候，p 自的影 响不能忽略，这种情况下如果依然采用理想气体状态方程进行计算就会造成很大 误差。表3 1 突出的反映了在较高压时，压缩系数z 远远偏离于1 ，不能够再用 理想气体状态方程进行温压补偿了。 3 2 气体对比态原理和压缩系数z 的求取 在3 1 小节中，提出了压缩系数z 的概念，定义式为( 3 6 ) 。压缩系数z ，是 用来衡量实际气体接近理想气体程度的参数。上一节讲述出了压缩系数z 和气体 压力p 、固有压力p1 1 1 、内压力p 自之间的内在关系，并推导出了z 的求解公式 ( 3 一l o ) 。我们知道只要有了p 、p 白、p 自三个参数中的两个，就可以求得压缩系 数z 。实际应用中，由于p 自和p 自很难获得，因此一般并不直接利用公式( 3 1 求解压缩系数z 。本文依据气体的对比态原理，利用对比r e d l i e h k w o n g 普遍化 方程求解压缩系数z 。 3 2 1 气体的对比态原理及其应用 为了更好的讲述对比态原理，首先介绍气体的临界点概念。对于每- - e e 气体 来说，都有这样一个温度，在此温度以下，不管加多大的压力，它也不能被液化， 该温度称为临界温度，用t c 表示【3 8 】。在临界温度下，液体气化所要求的压力( 蒸 汽压) 称为临界压力，用p c 表示。在临界温度和临界压力下，气体的摩尔体积称 为临界体积，用v c 表示。临界点就是气体指处于临界压力和临界温度下的状态 天津大学硕 学位论文 第三章流蕈检洲的温度压力补偿 点| 3 9 1 。 通过大量的试验发现，许多物质的气体当接近临界点时，都显示出相似的性 蔟，霾薅孳| 爨了对魄参数熬概念。 对比参数包括对比温度t r 、对比压力p r 、对比摩尔体积，定义如f ： 1 、r = t t o ，p r = p p c ，v r = v v c f 3 1 2 ) 上式中静￥指豹跫气体在滋菠譬、压力p 状态下的瘁尔体积。 下面用范德华( v a nd e rw a a s ) 方程式来说明对比状态下三个参数的关系。 p 辫3 - 2 纯物艘的p - - v 等滠线 前面所分析，国于低温时气体易于液化，说明在这种情况下分子间引力相当 湿著；而商压时气体难以压缩，说明气体分子占谢一定的体积，不能褥把它当成 无大小蕊矮煮。范镰华在理憋气俸状态方程式豹麓穑上，考恣了盘予遨两方嚣戮 索所需引入的修正顺，提出了一个实际气体的状态方程【4 0 】： 卜芳卜办) = 囊r 1 3 ) 式中，a 、b 是常数。 其孛a v 2 顼为嚣力穆菱瑗，瑟b 为嚣辍修正瑷，范穗孥方程式是一个获瑾谂 上考虑修正方案的实际气体状态方程式，它虽然不十分准确，然而抓住了理想气 体模型的溪害，修派的方向怒正确的，因此，它怒一个典型的气体状漆方程式。 式( 3 一1 3 ) 可馥菠写藏显舔鍪： n r 丁a ，。一百 (314)vbv zu ， 图3 2 是纯物髓的p v 等溆线，从图中可以看出，等温线在临界点t e 处出现水 平拐点，在数学上袭述为，该点的一阶导数和二阶导数为零： f 望1：o l a y r ：托( 飘# 。 茎! 苎! 翌生! 堂 兰三兰塑茎堡型塑塑壁墨塑! ! 堡 6 4 p c 由( 3 1 2 ) 得： t = t r t c ，p = p r p c ， 代入范德华方程式： 把( 3 1 7 ) 带入上式， 上式属于 2 r 死 瓦j 了一万刊( 3 1 6 ) 6 ：坐。 8pc 、。” m + 舞心 整理得： ( p + 跏， 厂( e ，z ，k ) = 0 6 1 = r t 8 z ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 形式的状态方程，只含对比参数p r 、t r 和v r 而被称为“范德华对比状态方程