（检测技术与自动化装置专业论文）气体流量标准装置计算机测控系统的研究与设计.pdf

中文摘要 目前，在流量计生产制造和使用场合中有大量气体流量计检定工作需要完 成。这对检定流量计的气体流量标准装置提出了较高的要求，不仅要求达到足 够高的检定精度，还希望有较高的检定效率。本文针对这样的工业现状，研制 了一种标准表法气体流量标准装置计算机测控系统。该系统能够在保证较高检 定精度的前提下，更大限度的提高流量计在生产制造过程中的检定效率。 首先，该系统在设计中应用了风机交频调速技术i 提高了流量的控制精度 和稳定性。与钟罩式标准装置相比，应用该技术可以减少大量机械机构，降低 设计难度，同时还避免了调节阀节流供风时的大量电能损耗。其次，在标准流 量计和被测流量计的流量脉冲数据采集过程中使用同步脉冲计数法，保证了计 算机发出启停信号后采集到的标准流量计和被测流量计的时闯与流量脉冲完全 同步，并应用脉冲插值算法，在较短时间内得到精确的被测流量计的脉冲值， 大大缩短了检定时问，提高了检定精度。再次，在气体流量恒定控制中采用积 分分离式p i d 控制算法，通过设定积分分离限，将大偏差时的纯比例控制和小 偏差时的比例积分控制有效结合，既保证了积分作用，又减小了超调量，从而 消除了大口径流量计检定时由于初始偏差过大而引起的积分饱和现象，保护了 动力装置，缩短了调节时间。 目前，基于本文研究设计的标准表法气体流量标准装置计算机测控系统已 经处于试运行阶段，从运行情况和试验数据来看。建立这样一套0 5 级的标准 表法气体标准装置是完全可行的。该系统充分体现了检定效率高，成本低和自 动化程度高的优点，适合向流量计生产制造企业推广使用 关键词；气体流量标准装置标准表法计算机测控变频调速p i d 控制 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h e r ea r cal o to fw o r k so ng a sf l o wm e t e l c a l i b r a t i o ni np r o d u c t i o n m a n u f a c t u r ea n d 噼s i t u a t i o n s oag a sf l o ws t a n d a r dd e v i c eg o u l db en o to n l y e n o u g hi na c c u r a c ya n dr e t i a b i l i t y , b u ta l s oi ts h o u l db ee f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h i s i n d u s t r i a ls i t u a t i o n , ac o m p u t e rc o n t r o lc a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hg a sf l o ws t a n d a r d d e v i c eb yt h em a s t e rm e t e rm e t h o di sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d b a s e do nt h e p r e f e r a b l ea c c u r a c y , t h es y s t e mc a l le n h a n c et h ec a l i b r a t i o ne f f i c i e n c yi np r o d u c t i o n m a n u f a c t u r ep r o c e s se x u 啪e l y f i r s t l y , av e n t i l a t o r sc o n v e r t - f r e q u e n c yt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h es y s t e m s ， w h i c hi m p r o v e st h ef l o wc o n t r o la c c u r a c ya n ds m b i l i t ) r c o m p a r i n gw i t f lt h eg a sf l o w s t a n d a r db e l ld e v i c e ，i tn o to n l yr e d u c e st h em a s s i v em e c h a n i c a lo r g a n i z a t i o n s ，t h e d e s i g nd i 丘i c u l t ya n dt h ed e v i c ev o l u m e b u ta l s oa v o i d st h em a s s i v ee l e c t r i c a l e n e r g i e sw a s t ea d j u s t i n gt h ef l o wc a u s e db yv a l v 髂s e c o n d l y , t h ea p p l i c a t i o no f s y n c h r o n o u sp u l s ec o u n t i n gm e t h o di nm s s t e fo rf i e l df l o wm e t e r sd a t ac o l l e c t i o n p r o c e s se l 丝u r e st h a tt h ep e r i o do ft i m eb e t w e e nt w os i g n a l sk e e ps y n c h r o n o u s 、 r i m f l o wp u l s e s w h e ni n d 懈砸a lp cs e n d so u tt h es t a r t0 1 e n dc a l i b r a t i o ns i g n a l s a tt h e s a m et i m e ，p u l s ei n t e r p o l a 6 0 na l g o r i t h mc a nw o r ko u tt h ea c c u r a t ep u l s e sr a p i d l y , s o t h ec a l i b r a t i o nt i m ea n de r t d r sa l eb o t hr e d u c e d t h i r d l y , i ng a sf l o ws t a b i l i t yc o n t r o l p r o c e s s w i t ht h ei n t e g r a ls e p a r a t i o nl i m i t s , t h ei n t e g r a ls e p a r a t i o np i e ) a l g o r i t h mi s u s e dt oa v o i di n t e g r a ls a m r u t e dp h e n o m e n o nc a u s e db ya no v e r s i z e di n i t i a le r r o r n o w , t h ec o m p u ：t e rc o n t r o lc a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hg a sf l o ws t a n d a r dd e v i c eb yt h e m e t e rm e t h o di si nt e s tn l nc o n d i t i o n w i t ht h ec h a r a c t c r i s t i co f h i g h e f f i c i e n c y , s m a l lc o s ta n dh i g hd e g r e ea u t o m a t i o n , t h i ss y s t e ms u i t st h ef l o wm e t e rp r o d u c t i o n m a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：o a sf l o ws t a n d a r dd e v i c e ；m a s t e rm e t e rm e t h o d ；c o m p u t e r m e a s u r i n g & c o n t r o l ；c o n v e r t - f r e q u e n c yv e l o c i t yr e g u l a t i o n ；p i dc o n l z o l 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，也不包含为获得鑫洼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：i 寻寻、阮叠 签字日期：训7 年。月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茎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 司京晚拳 导师签名； 签字日期：们。石年z 月l 7 日 签字日期：7 磊月哆日 第一章绪论 1 1 流量计检定技术的现状 第一章绪论 为了保证流量计的准确度，必须对流量计进行检定。流量计的检定方法【1 1 目前有两种：直接测量法和间接测量法。 直接测量法又称为实流检定法，是指用标准装置( 标准流量计量器具或标准 流量计) 测出被测流量计的流量，与被测流量计的流量示值比较，得出被测流量 计精度的一种测量方法。实流检定法测定的流量值既可靠又准确，是目前许多 国家在检定流量计时所采用的，而且是作为建立标准流量的方法。 问接测量方法是通过测量与流量有关的物理量，间接地校准其流量量值获 得相应的准确度的一种方法。例如，孔板、文丘里喷嘴，作为间接测量法的典 范，就是根据其几何尺寸与配套差压计的差压值计算流量的，而其它( 如电磁、 涡街流量计) 间接测量法还正在标准化研究之中。 大型实流检定流量计所用的设备造价昂贵，很难普遍建立。特殊流体以及 高温、低温或高压等特殊状态下的流量测量，用实流检测比较困难，甚至无法 实现。目前世界上解决该问题的趋势是采用直接法和间接法相结合的方法。例 如对流量较小的中、小口径的流量计做实流校准( 定量检定) 后，采用串联解决小 流量实流检定。在用实流检定之后的标准流量计，采用并联解决大口径流量计 的实流检定。其一是利用相似原理间接推算大口径仪表的流量，在开发阶段， 借用他人设备取得试验数据和验证；其二是用标准流量计并联解决大口径实流 检定。 实流校验分为离线实流校验和在线实流校验。离线实流校验就是将流量计 置于实验室的流量标准装置上，在参比条件下测得流量计流量测量范围及其基 本误差。在线实流校验则是将流量计安装在现场管道上，设置适合在现场校验 的流量装置，不一定完全符合参比条件下校验的要求，校验结果所得误差为现 场实际误差，包含基本误差和附加误差两部分。现场在线校验只能获得实际误 差，不能按参比条件确定其基本误差。现场在线校验时，应按实际使用条件灵 活地确定检定方案 第一章绪论 1 2 气体流量标准装置的发展状况 为了提高气体特别是燃气流量计量的准确度，国内外专家和同行进行了大 量的研究试验工作 2 1 1 3 1 1 4 1 ，特别是美国积累了大量的资料，编制和几经修订了气 体流量计量专用标准a g a n 0 3 报告，并在全国各油气田多处建立了燃气流 量检定装置。历年来我国新老计量专家和同行为提高燃气流量计量的准确度付 出了艰辛的劳动。1 9 6 5 年四川石油管理局在泸州合成油厂利用3 0 0 m 3 的大气枢 对孔板节流装置进行了标定实验研究，在实验资料的基础上结合国家计量局推 荐的2 7 5 4 规程编制了“测量燃气流量的孔板计量装置安装检定使用和管理规 程”作为燃气流量计量的依据。1 9 8 3 年再次总结历年来燃气流量计量的经验， 参照当时国际国内计量流体流量的先进技术和先进标准，编写了“燃气流量的 标准孔板计量方法”，即s y l 0 4 - 8 3 部颁行业标准。与此同时建立了标准孔板节流 装置定点生产厂和长度检测室。但这只能是保障燃气流量计量准确度的软件。 由于影响气体流量计量准确度的因素多而复杂，仅仅用软件来控制每一影 响因素是不够的，纵然在标准中进行了控制，在实际使用中也是难以达到的。 就拿孑l 板入口边缘的尖锐度和测量管内壁的粗糙度说，加工制造中能得到控制， 使用中就不可能得到控制，因为气质和流态就多种多样，受磨蚀、创擦伤的程 度、方位就不一致，因此建设气体流量标定装置对计量装置进行实流检定是势 在必行。国内外许多专家和同行业认为要提高标准节流装置计量的准确度，实 流检定是最好的方法。只有在线实流检定才能实现真正的流量仪表校准或赋值， 因为只有此时的校准或赋值才能真正计入各种因素对流量仪表性能的影响，才 能保证量值传递链或溯源链的连续和封闭。作为容积流量计的一级标准有多种， 油置换法与钟罩式标准装置的设备较简单，但在高压时必须增压；激光开普勒 流量计不需增压，但设备复杂德国物理技术局的高压检定设备( 压力6 m p a 、 流量1 0 2 5 0 0 m 3 h 、准确度为o 1 呦作为质量流量的一级标准有m t 法和p v t t 法，m t 法是在一定时间内用天平直接测量容器内气体质量的变化，准确度可达 o 0 0 1 ，但用于大流量检定时，装置规模过大，难以实现p v t t 法就是在时间 间隔t 内，使气体流经超音速喷管并以恒定的流量流入体积为v 的标准容器中， 根据流入前后容器内气体的绝对压力p 和温度t 求得质量流量的检定方法，准 确度可达0 0 8 ，但目前尚未在实际中得到广泛应用，重要原因是对其中涉及的 诸多气体动力学问题尚未得到很好的研究。美国科罗拉多工程试验站将m t 法和 p v t t 法并用，用前者标定后者，构成高精度、高压、大流量的标准装置( 其测 量范围为0 4 5 - 3 3 0 0 0 k g h ；在流量大于9 8 0 0 k g h 时，准确度为0 0 7 7 ) 。气体 流量计标定的二级标准常采用音速喷嘴、涡轮流量计、伺服式容积流量计等。 第一章绪论 音速喷嘴适用于高压大流量传递标准，其中临界流音速喷嘴应用最广美国国 家标准局，英国国立工程试验室等的二级标准均采用临界流文丘里喷嘴。 目前在我国的大庆油田、辽河油田己建立了原级标准装置。建立次级标准 装置( 音速喷嘴) 的油田有大庆、辽河、大港、胜利和华北等。四川石油管理局1 9 9 1 年从美国c s 公司引进一套音速喷嘴组合系统，价值1 0 0 万美元，系统准确度0 5 级，可标定的流量范围1 0 2 5 0 0 m 3 h ，检定的压力范围0 3 4 0 m p a 。1 9 9 5 年 年底，投资2 4 0 0 余万元在成都市郊华阳镇建设“四川石油管理局燃气流量计量 测试中心”。其中一级标准m t 系统，次级标准( 或传递标准) 为从美国c s 公司引 进的音速喷嘴组合系统。设计时将m t 系统，音速喷嘴组合系统和被测流量计以 及配套设施合理地建设起来，形成一套以实流燃气作介质，用m t 系统标定音速 喷嘴，用音速喷嘴组合系统检定流量计的硬件体系，质量m 和时间t 向国家基 准溯源。 1 3 本课题研究的内容与创新点 本课题所研制的标准表法气体流量标准装置是以高精度罗茨流量计作为标 准表，由基于变频器的风机变频调速系统提供稳定空气作为被测流体，对被测 流量计进行流量检定；通过工控机与变频器的r s 4 8 5 通讯实现恒定流量p i d 控 制；使用v b 软件编写标准装置的检定程序，结合p c i 板卡，完成自动报警，自 动采集各种数据，自动积算以及自动打印报表和储存数据等功能，实现检定过 程自动化和高效性。 本课题所要研究的主要内容有： 1 流量标准装置的系统方案比较与选定 2 风机变频调速技术的研究与设计 3 气体流量恒定控制的p i d 控制算法 4 标准装置系统硬件各组成部分的选型、计算与设计 5 利用v b 语言编写的具有仪表检定、数据存储、历史数据查询、报表 打印等多种功能的计算机流量检定程序 6 流量标准装置的误差分析与性能评估 本课题研究的创新点有： 1 对标准流量计和被测流量计的脉冲数据采集使用同步脉冲计数法，减 小了因检定启停而引起的脉冲采集误差，并应用脉冲插值算法，在较 短时间内得到精确的被测流量计的脉冲值。 第一章绪论 2 采用积分分离式p i d 控制算法对气体流量进行恒定控制，消除了可能 出现的由于初始误差过大而引起的积分饱和现象，保护了动力装置， 缩短了流量稳定的时间。 1 4 本课题研究的目的和意义 针对天然气，煤制气等气体流量测量场合越来越多而利用原级气体标准装 置对气体流量计检定时效率相对较低的现状，研制一种气体流量标准装置的计 算机测控系统，在保证较高检定精度的前提下，更大限度地提高流量计在生产 制造过程中的检定效率。 本课题的研究意义：1 - 应用变频器和风机组成风机变频调速系统作为检定 气体源，既代替了钟罩式气体流量装置中的钟罩和大量机械传动机构，又与调 节阀节流供风相比节约了大量电能，使得整个装置，结构简单，成本相对低廉； 2 根据标准表法检定原理采用同步脉冲计数法，有效地提高了标准表和被测表 脉冲计数的准确度，并缩短了检定时间；3 结合p i d 控制，快速有效地提供了 流量计检定时所需的稳定流量；4 使用v b 语言开发计算机控制软件，实现了 检定自动化，降低了操作者的工作强度，提高了整个装置的检定效率。 第二章气体流量标准装置的研究 第二章气体流量标准装置的研究 2 1 流量和气体连续性方程 2 1 1 流量的概念 流量【5 1 是单位时间内流过管道或明渠横截面的流体量，如果流体的流动随时 间变化，被测流体的流量应用平均流量表示： 对于体积流量，其平均流量q v 为： q v = j ；6 q v ( t ) d t = v t ( 2 - 1 ) 对于质量流量，其平均流量q m 为： q m = ：tj 6 q m ( t ) d t = = m t ( 2 - 2 ) 式中，t 一流体测量的时间间隔( s ) q v ( t ) 一以时间为函数的体积流量( m 3 s ) ； q m ( t ) 一以时间为函数的质量流量( k g s ) ： v 一在t 时间内流过的流体体积( m 3 ) ； m 一在t 时间内流过的流体质量( 埏) ； 当需要进行质量与体积流量的换算时，可根据下式计算： q v - - 塑 ( 2 3 ) p 式中p 一被测流体的密度( k g m 3 ) 2 1 2 气体连续性方程 气体连续性方程：在大多数实际气体流动中，介质是连续的。在定常流的 条件下，根据所研究气流在一定空间中的质量平衡，可先得到气流的连续方程 式，再将其积分，即缛总流的连续方程： q m , = q m 2 ；或者p l x v i a i = p 2 v 2 x a 2 ( 2 - 4 ) q m 一气体质量流量( k g s ) ； p 一气体密度( k g m 3 ) ： v 一气体平均流速( n 以) ； a 一有效截面面积( m 2 ) 第二章气体流量标准装置的研究 2 2 气体流量标准装置的介绍 根据测量原理的不同，气体标准装置一般可以分为钟罩式、p v t t 法、m t 法 以及标准表法。钟罩式、p v t t 法、m t 法气体标准装置属于原级标准装置，是 气体流量的最高标准，是依据流量的基本定义予以实施的，即通过标准量器或 衡器等作为容积v 或质量m 的度量设备，从而得到体积流量或质量流量。 标准表法标准装置属于次级标准装置，次级标准装置也称传递标准，传递 标准是通过原级标准装置进行量值传递的。它是原始标准装置和现场工作流量 计之间的中间环节，可以建成离线也可以在线。标准表法流量标准装置的基本 原理是基于流体力学的连续性方程。以标准流量计为标准器，使流体连续通过 标准流量计和被测流量计，比较两者的瞬时流量值，或比较一段时间内的累积 流量值，从而确定被测流量计的计量性能。目前以钟罩式气体标准装置【6 】和标准 表法气体标准装置最为常见。 2 2 1 钟罩式气体流量标准装置的工作 图2 1 钟罩式气体流量标准装置结构图 l 一液槽；2 一压力补偿机构；3 - 配重物g i ；4 、5 - - 定滑轮；6 、1 7 - - 温度计；7 - - 钟罩；8 - - 滑轮；9 - - 上挡板；1 0 - - 标尺；l l 一下挡板；1 2 一光电发讯器；1 3 - - 液位计； 1 4 一鼓风机；1 5 、1 6 - - 开关阀；1 8 、2 2 一压力计；1 9 - - 被检流量计；2 0 - - 调节阀；2 i 一 试验管；2 3 - - 导气管 如图2 - 1 所示，打开阀门1 5 、关闭阀门1 6 。开动鼓风机，空气经过导气管 进入钟罩，使钟罩上升。当下档板高出光电发讯器一定高度时，关闭阀门1 5 ， 并同时关闭鼓风机，然后停一段时间，待钟罩内空气温度稳定后，开始检定。 打开阀门1 6 和2 0 ，由于钟罩本身的重力超过施于钟罩上的其他几个力( 液体浮 第二章气体流量标准装置的研究 力、配重物g l 的重力、补偿机构的拉力) 之和，并且由于补偿机构的补偿，使 钟罩内的气体产生一个不变的表压力( 又称余压，即与大气压力之差) ，于是钟罩 内的空气通过导气管、被测流量汁，流到大气。用调节阀2 0 将气流调到所需的 流量，钟罩匀速下降。当下挡板经过光电发讯器，遮住光时，光电发讯器发出 电讯号，启动计时器和被测流量计的脉冲计数器。钟罩继续下降，当上档板经 过光电发讯器、遮住光时，光电发讯器再次发出电讯号，停止计时器计时和脉 冲计数器计数。记下计时器显示的检定时间t 和脉冲计数器显示的脉冲数n 。 检定时钟罩的容积为： v = v k 1 + ( 2 e t b + a s c ) ( 0 2 0 ) 】 ( 2 - 5 ) v 一标定条件下的钟罩容积； v n 一钟罩的标准容积； 咖一钟罩材料的线膨胀系数； o , s c - - 标尺的线膨胀系数； o 一检定时的温度； 流过被测流量计的气体体积为： v m ：v 旦：v 娑鲁 ( 2 6 ) p m r m i z v m - - 流过流量计的气体体积； p 一钟罩内的气体密度： p m 一流量计处的气体密度；， p 一钟罩内的绝对压力； p m 一流量计处的绝对压力； t 一钟罩内的气体热力学温度； t m 一流量计处气体热力学温度； z m 一钟罩状态下的气体压缩系数； z 一流量计状态下的气体压缩系数： 贝仪表系数k = = ，n 一流量计的脉冲数 v m 从上述公式中可以看出，使用钟罩式标准流量装置检定流量计时，需要计 算许多参数，如气体密度，线膨胀系数，压缩系数，这些参数的计算不易实现， 不可避免地引入测量误差，同时需要采集钟罩内多点温度和压力值，测量复杂， 大大降低了检定效率，而且钟罩式标准流量装置具有较多的机械机构，结构复 杂，体积庞大，增大了装置的设计难度。 第二章气体流量标准装置的研究 2 2 2 标准表法流量标准装置的工作原理 标准表法流量标准装置【7 】【s 】的管路系统如图所示，标准表和被检流量计串连 在同一管径的管道上。在流动稳定的情况下，任何时刻流过两块流量计的质量 流量q m 是相等的。以空气作为检定介质，假定空气在检定过程中成分不变， 设标准表和被检流量计的仪表系数分别为k 、k t ；现将标准表s 与被检流量计 t 的工作状态换算【9 铡标准状态( p o ，v o ，t o ) 。 p s v sp t v tp o v o t st tt o 体积流量q v 呻= 咖器 哪= q v 。器 一q v t ：业 q v s p t t s 亩 图2 - 2 标准表法气体流量标准装置 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 旦郇艺|町 = 一 = 窨 又 第二章气体流量标准装置的研究 k tn tq 帽 凡n sq v t 式中，q v 一通过流量计的体积流量m 3 m ： p 一通过流量计的气体的压力( k p a ) ： t 一通过流量计的气体的温度；( ) ： n 一同一计数时间间隔内仪表输出的脉冲数 将上式代入得，堕k s = 堕n s 里p t 旦t s 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) k t ：n _ _ t tp s t _ _ t t k s ：k a k p t + k s (215)nsp tts。 其中k p t 一温度压力修正系数。 与钟罩式标准装置相比较，标准表法标准装置虽然属于次级装置，但是它 使用方便、结构简单，检定效率高，适合与流量计制造企业生产使用，而且它 的准确度等级能达到o 5 卸2 级，由它检定出的流量计能够满足一般工程使用的 需要。 2 3 研制标准表法标准装置时存在的问题及解决方案 1 要设计一个标准表法流量标准装置，需要注意以下问题【1 0 1 ： a ) 产生一套能模拟现场条件的具有几何相似和动力相似的工艺流程， 以便达到和现场条件样来控制试验。 b ) 产生一个可以让大家接受的、公认的、精度最高的压力下的流量标准 以确定基本的流量量值和工作仪表的精度。 c ) 如何做好系统的调压、整流，否则不可能得到稳定的流动，直接影响 到误差的计算，即使仪表测量精度相当高，但由于波动剧烈，难以得到稳定 的压力和温度，其压力和温度真值就难以确定。 d ) 在试验的操作过程中，需要自动启、停、局部自动开关换向；自动报 警；自动采集各类数据；自动积算；自动打印报表和储存数据等等，均需要 有先进的操作手段和设备一电子计算机才能及时地和可靠地完成任务。 2 相应的解决方案【1 1 1 2 1 ： a ) 在检定过程中，使用风机作为气体动力源，以空气为检定用气体。 在绝大多数情况下用空气检定后，通过与其他气体的物理参数( 密度、压力、 第二章气体流量标准装置的研究 温度) 换算后，用于测量其他气体不会引进误差，或引进的误差在允许范围 内。 ”采用标准表法进行测量。在同一管道上连接标准表和被测表，并在 两表的入口处按照不同类型流量计直管段要求留有一定的直管道。由气体连 续性方程可知，通过两表的质量流量是相同的。 c ) 对测量环境进行多点测量。分别在标准表和被测表上进行压力和温 度取样。温度测量位置在流量计的下游，压力测量位置在流量计的上游。 d ) 使用变频器对风机进行变频调速控制，在较短时间内能够保证气体 是稳定流，且充满管路，有利于温度、压力和输出脉冲的采集。 曲由工控机和p c i 数据采集卡进行数据采集处理和系统控制，采集和 处理数据速度快，实时性高。使用高级语言编制工作软件。 2 4 小结 本章在介绍了流量和气体连续性方程的基本概念后，对常用的钟罩式气体 流量标准装置和标准表法流量标准装置的原理进行了介绍。可以看出，标准表 法流量装置虽然属于次级标准装置，精度较钟罩式标准装置低，但是它具有结 构简单，易于设计；采样数据少，计算方便等特点，适合于大量检定工作时使 用。由此，提出标准表法标准装置研制中需要考虑的问题与解决方案。 第三章风机变频调速技术 第三章风机变频调速技术 通常，对标准装置的气体流量进行控制有两种方法，分别是改变管道通流 面积的大小来改变流量，或者是直接改变风机转速。前者是一般是在管道上加 装调节阀，后者则是采用变频调速技术，本章将对这两种方法进行比较，选择 合适的流量控制方案。 3 1 调节阀控制流量 3 1 1 调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系。 数学表达式为： 芒由q 、l 一 ( 3 1 ) 其中，q q 。一相对流量 l l 。一相对开度，调节阀阀芯某一位移l 与全开位移l 。之比。 一般来说，改变调节阀阀芯的节流面积，便可以调节流量。通常调节阀有 两种调节特性曲线。 1 直线特性。 直线特性是指调节阀的相对流量和相对开度之间成直线关系，即单位行程 变化引起的流量变化是常数，在直角坐标上得到一条直线，斜率是常数，即放 大系数是一常数。 直线特性的阀门在小开度工作时，流量相对变化太大，调节作用太强，易 产生超调，引起振荡；而在大开度时，流量相对变化小，调节太弱，不够及时。 为解决上述问题，希望在任意开度下的流量相对变化不变，产生了对数特性。 2 对数特性 对数特性是指单位行程变化引起流量变化与该点的相对流量成正比，即调 节阀的放大系数是变化的，它随着相对流量的增加而增大。相对开度与相对流 量成对数关系，在直角坐标上得到一条对数曲线，其位移变化引起的流量变化 与此点的原有流量成正比，而流量相对变化的百分比总是相等的。 由于对数特性的放大系数随开度增加而增加，因此有利于系统调节。在小 开度时，流量小，流量的变化也小，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大 第三章风机变频调速技术 开度时，流量大，流量的变化也大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效 3 1 2 电动调节阀 电动调节阀【1 3 1 就是配备电动执行机构的调节阀，它的输出流量的大小与电 动调节阀的开度成正比，电动调节阀的开度与微机施加在电动调节阀上的电压 或电流相对应，因此可得电压或电流与流量之间的关系。控制流量首先需要计 算出施加在电动调节阀上的对应的电压或电流值，从微机出来的电信号经过d a 转换作用在电动调节阀上，控制电动调节阀的开启度，从而达到控制流量的目 的。 根据电动控制阀控制原理，建立如下数学模型： i q 理一q 实l a q , q 实= k v + c ( 3 - 2 ) 式中：q 理一理论上应输出的流量；q 实一实际输出的流量； a q 一允许误差；v 一流量计输出的信号经过信号调理器转换的电压； c - - 实测流量修正值；k 一流量计系数。 依据上述数学模型的控制过程为：从流量计输出的信号，经a d 卡转换及 数学计算便得到了实测流量q 实，如果q 实与q 理差值的绝对值大于a q ，就需 要调节电动阀的开度，控制流量的大小。电动阀的控制是由工控机输出一个新 的流量值，经d a 卡将其转换成相应的控制电压输出到电动阀控制器上，由控 制器控制电动阀的开启度以达到调节流量的目的。 3 2 变频调速技术控制流量 3 2 1 变频调速原理 根据电机学可知，交流电动机口4 1 的转速公式为： n = 鱼q 堡二叟 ( 3 3 ) p 式中：f l 一定子供电频率；p 一极对数；s 一转差率。 由上式可知，若均匀地改变定子供电频率五，则可以平滑地改变电动机转速。 然而，只调节是不行的，因为 e l = 4 4 4 f , s l k n i 惋u l ( 3 - 4 ) 式中：e l 一定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根( v ) ；矗一定予频率 ( k ) ；n l 一定子相绕组有效匝数；l 【n l 一与电动机绕组结构有关的常数；咖一 第三章风机变频调速技术 每极磁通量( w b ) ；u 广定子相电压( v ) 。 由上式可以看出，当电动机电源频率变化时，若定子电压u i 不随着改变， 咖与f l 成反比，f l 的升高或降低，会导致磁通q ) m 的减小或增大，从而使电动 机最大转矩减小，电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。磁通出现饱和后将会 造成电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出 现欠励磁时，将会影响电机的输出转矩。因此，在改变电机频率时应对电机的 电压或电势进行控制，以维持电机的磁通恒定。 3 2 2 风机变频调速的节能作用 表达风机的基本特性参数有风量q ，风压h 、轴功率p 、全压效率和转速 n 等。由流体力学理论可知，风机风量q 与转速n 的一次方成正比，风压h 与 转速的平方成正比，轴功率p 与转速的三次方成正比它们之的关系用公式表示 为： po c q h ，qo c n ，h n 2( 3 - 5 ) 所以po c n 3 ( 3 - 6 ) 风机的风压风量特性【1 习如图3 - 1 所示。图中，曲线l 是风压风量特 性，曲线2 是风阻特性，它们的交点a 为风机运行工作点，而风机的轴功率正 比于图中o q l a h i 面积。 图3 1 风机的风压风量特性 当采用改变风机入口或出口的风门开度的调节方法时，虽然调节阀门使其 开启程度减小，可以达到限制供风的目的，但是管路系统的通风阻力也随之改 变，运行特性如图3 - 2 所示。 图3 - - 2 中，曲线3 和曲线4 是出口风门关小后的风阻特性，风门关得越小， 曲线就变得越陡，风阻增加越大。此时的工作点分别为b 和c 。可以看出，风 量减小，风压增大，风机轴功率变化不大。若采用变频调速技术，原理如图3 3 第三章风机变频调速技术 所示。只改变风机转速而不改变风阻后的运行特性( 如图3 3 中曲线5 、曲线6 所示) ，风机转速减小后，风机工作点为d 、e 。显然，风量减小，风压及电机轴 功率均减小，耗电量随之减小，例如，当风量小于设计风量的8 0 时，采用变 图3 - - 2 节流调节图3 - - 3 转速调节 频器供电，同时配以小范围内的调节挡板或节流阀来控制风量。此时，变频调 速装置的容量仅为电机额定功率的5 1 。可见在非满载情况下，通过调节转速， 节能效果【1 6 1 1 _ 7 】明显。 3 2 3 变频调速的特点 变频调速技术是目前得到广泛应用的一种调速方式，它有着其突出的特点， 具体表现在以下几个方面； ( 1 ) 调速时平滑性好，效率高； ( 2 ) 调速范围较大，精度高； ( 3 ) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显； ( 4 ) 保护功能齐全，运行安全可靠，在生产过程中能获得最佳速度参数； ( 5 ) 变频器体积小，便于安装、调试、维修方便； ( 6 ) 易于实现过程自动化： 3 3 流量控制方案的选择 由于标准表法流量装置在进行检定工作时需要稳定准确的流量来准确反映 被测流量计的性能，所以对流量控制的稳定性和精度提出较高的要求。因此， 需对电动控制阀和变频调速这两种流量控制方案进行比较，选取一种更适合本 系统的方案。 首先，在本装置中，由一台电动机( 风机) 分别对三条检定通道供风。气 1 4 第三章风机变频调速技术 体在管道流动过程中，常出现脉动，加之管路较为复杂，若采用电动调节阀进 行控制，当把流量设定在某一固定值时，外界因素对流量的影响会导致系统不 断发出命令，阀门在某一开度左右不停调节，导致系统的稳定性较差，而且本 装置的流量变化范围较大，当电动调节阀对小流量进行控制时，阀门的开度很 小，此时微小的开度变化都会引起较大的流量变化，使得控制精度降低。若采 用变频调速直接控制电动机的转速，由于频率控制的精度非常高，可以使流量 的稳定性更好。同时闭环控制系统能很好的适应流量变化，实现在线调整，保 证通过标准流量计的流量恒定。 其次，对于电动机和风机来说，若采用电动控制阀对其进行控制，电动机 和风机常处于满负荷工作状态，通过调节阀门的开度来控制流量，这样电能消 耗较大。而如上文所述，若采用变频调速，可以直接降低电动机的功率，节能 效果非常明显。 再者，采用变频调速技术【l 町，可以使风机转速下降，出口压力降低，减少 了机械磨损，延长了设备的使用寿命；实现了电动机的软启停，提高了功率因 素，避免了电机直接工频使用时大电流对电动机线圈和电网的冲击，降低了对 电网的容量要求和无功损耗。另外，电动机和风机共同组合为一体，它既是气 体动力源，又是流量调节机构，实现了检定过程自动化。 综合以上几点，本装置的流量控制选用变频调速。 3 4 变频调速技术的实现 3 4 - 1 变频器的基本结构 目前，变频调速技术主要是通过交频器来实现的。变频器是变频调速系统 的执行机构。本装置中，使用的是电压型交一直一交变频器。交一直一交是指 是先把工频电流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变成频率、电压均 可控制的交流电。而其中间环节的储能方式是电压型。其基本构成如图3 4 所示。 图3 - 4 变频器基本结构图 第三章风机变频调速技术 工作时首先将三相交流电经桥式整流为直流电，脉动的直流电压经平滑滤 波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相 交流电源，输出到需要调速的电动机上。通过变频器可任意改变电源输出频率 从而任意调节电机转速，实现平滑的无级调速。 3 4 2u f 恒比例p w m 变频调速方法 保持u f 恒比例控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电 动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比u f 恒定，从 而使电动机的磁通基本保持恒定。 当频率较高时，电动机能够保持转矩不变，这时，恒比例控制方式属于恒 转矩调速性质。但当频率较低时，定子电阻压降不可忽略，e l 与u 1 相差较大， 即使u l f i - - - - - e o n s t ，e l f i 也不再近似为常数，最大转矩将随频率f l 的降低而减小， 起动转矩也减小。但是根据风机的负载特性可知，其转矩和转速的平方成正比， 当频率f l 降低时转矩迅速下降，不需要很大的转矩即可正常工作。所以，采用 恒比例控制方式非常适合于风机的调速节能，它的突出优点是可以进行电动机 的开环速度控制。 而采用p w m 逆变器【1 9 1 控制输出电压，可使输出电压按正弦波规律变化， 交流电动机电流波形接近正弦波，输出的谐波分量小，消除了谐波转矩对电动 机的影响，使电动机运行平稳。 3 4 3 变频器及其硬件使用 本装置使用的变频器选用富士f r n 7 5 p l l s - - 4 c x 型号1 2 0 1 ，具有正弦p w m 控制( 可选择岍控制，转矩矢量控制两种控制方式) ，频率控制范围0 2 - - 4 0 0 h z ， 具有转差补偿，电流限制，上限或下限限制，自动加，减速，偏置频率等功能。 如图3 5 中所示，l 1 l ，l 1 2 ，l 1 3 是净化电源( u p s ) 输出的三相a c 3 8 0 v 电源线，通过无线电干扰滤波器( a c l 4 0 b ) 线路保护用断路器连接至变频器的 主电路电源端子( r s t ) ，接线时不需要考虑连接相序。但是频繁使用断路器断 电上电会对变频器产生极大的损害，因此当标准装置工作时常使用控制电路端 子f w d 、r e v 或者键盘面板上的f w d 、r e v 和s t o p 键控制进行控制变频器 的起停。 变频器使用输出端子( u ，v ，w ) 通过热过载继电器( o l ) 与3 相电动机 ( 风机) 相连。连接时必须按照正确的相序进行。如果发现电动机( 风机) 旋 转方向不对，则交换u 、v 、w 中任意两相的接线。 第三章风机变频调速技术 r s 4 8 5 通讯 图3 5 变频器接线圈 直流电抗器连接端予p l 和p + 是功率因数改善用直流电抗器的连接端子。 在使用时，需要将出厂时的短路导体取出，在接入直流电抗线圈l 作为报警继电器输出端的3 0 a 、3 0 b 和3 0 c 端子在变频器保护动作时，输 出继电器触点信号。 变频器的频率设定有三种方式：频率设定电位器、频率设定电压输入和频 率设定电流输入。设计时采用i k f 2 ，0 5 w 的频率设定电位器进行频率调节。 接点信号输入端予f w d 和c m ( 公共接点端) 端予问通过继电器连接，控 制产生闭合断开动作，继电器闭合，则变频器得到正转指令。f w d 和c m 间的 继电器由p c i - 2 3 0 6 的开关量来控制，实现电动机( 风机) 的转停。 接点输入端子x l ，其功能可以任意设定，不同功能对应不同的代码，代码 设定范围为o 3 5 将它与c m 相连，设定值为2 4 ，可实现切换链接运行时频 第三章风机变频调速技术 率命令和运行命令的有效无效，在工作时，x 1 与c m 常接，同时使用链接功能 ( 功能代码h 3 0 ) 可使工控机通过r s 4 8 5 总线一直对变频器保持监视功能和功 能数据写入功能。而d x 和d x + - 端子即为r s 4 9 5 通信输入输出端子。 通过r s 4 8 5 总线，可对变频器实现如下远程操作： 1 ) 运行频率的设定； 2 ) 运行命令的设定( f w d ，s t o p 等) ； 3 ) 各种功能码数据的设定，读出，包括基本功能，端子功能，电动机参数等： 4 ) 运行状态的监视，包括输出频率，频率设定值，转矩计算值等； 5 ) 调闸信息的读取； 3 5 小结 本章分析了调节阀和变频调速技术这两种流量控制方案，特别指出：与风 机恒转速而利用调节阀节流供风的控制方式相比，变频调速技术可以改变风机 转速，降低风机转轴功率，达到很好的节能效果，并且变频器加风机即是气体 动力源，又是流量调节机构，非常适合在标准装景中使用。接着，介绍了变频 调速技术中的主要部件呼楚频器的基本原理和u ，f 恒比例p w m 变频调速方 式，并详细说明了本装置中富士f r n 7 5 p l l s - - 4 c x 型号变频器的硬件使用。 第四章恒定气体流量的p i d 控制方法 第四章恒定气体流量的p i d 控制方法 如前所述，在流量检定过程中，风机和变频器组成的气体动力源必须保证 流过标准流量计和被测流量计的气体流量保持在某一个恒定的流量点上。因此， 设计中需要考虑如何对变频器和风机进行必要的反馈控制。 在工程控制中，为了使被控量能够达到恒定控制，多采用p i d 控制器，按 照工艺对控制性能的要求对其进行整定，决定控制器的控制参数，即比例系数 k p 、积分时间常数t i 、微分时间常数t d 。p