（检测技术与自动化装置专业论文）新颖智控涡街流量计的设计与研制.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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过的研究成果， 也不包含为获得东南大学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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 日期：丝! ：垄：型 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 躲酗：则 日期：坠生竺 摘要 摘要 流量是现代化工业生产过程中经常需要测量和控制的重要参数之一。涡街流量计以其原理简单、 量程宽、无可动部件以及使用范围广等优点在工业流量监测领域得到了广泛应用。随着近年来信息 化进程的快速推进以及无线网络通信技术的快速发展，基于远程无线监测的d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r 0 1s y s t e m ) 监控系统得到愈来愈多的重视和青睐。 南京西奥仪表测控有限公司原先生产的涡街流量计功能单一、集成度不高且不具有无线通信功 能。本学位论文的主要研发内容即是受该公司委托、研制一款具有无线数据通信功能的新颖智控涡 街流量计产业化样机。该样机要求具有流量计量、阀门控制、充值计费管理、触摸屏终端监控显示 以及无线g p r s 数据通信等多种功能，主要由涡街流量计量仪、主控制仪、电气控制系统以及触摸屏 监控显示终端等几部分组成，配置远程服务器监控终端后便构成了一个完整的新颖涡街流量计量监 控系统。 本学位论文的章节安排如下：( 1 ) 第一章绪论，主要介绍课题背景、来源及要求；( 2 ) 第二章 系统总体方案设计，论述系统的总体设计方案；( 3 ) 第三章系统硬件设计，详细论述系统各功能电 路的设计原理和方法：( 4 ) 第四章系统软件设计，详细论述系统各软件模块的功能、算法和设计方 法；( 5 ) 第五章远程无线数据通信的设计和实现，主要论述本系统基于g p r s 模块m c 5 5 的g p r s 和 短信无线通信的软件设计方法；( 6 ) 第六章系统开发与调试，重点介绍系统样机研制和试运行过程 中遇到的问题和解决办法，以及样机生产出厂前的调试方法和制订的检验标准。 在学位论文工作期间，本人完成了除触摸屏监控平台软件( 由师弟完成) 之外的样机所有研制、 联调测试工作，通过该公司两个多月的实际测试和试运行证明：样机设计合理，各项性能指标稳定； 该产业化样机已经设计定型。另外，结合样机设计，本人还申请了“l u g b z k 智控涡街流量计嵌入 式软件”的软件著作权，现已受理并公示。 【关键词】涡街流量计，监控，无线通信，g p r s ，短信 a b s 撇 a b s t r a c t f l o wi s0 n eo ft l l em o s tc r i t i c a lp a 伯m e t e r sw h ic ：ha mu 吼m l l ym e a s 他da n dc o n 仃o l l e di l lm o d 锄 i i l d i 坷t r i a ip r o d u c t i o np r o c e s s 、，o i t e xf l o w m e t e 塔a 佗w i d e l yu s e di nt l l ef i e l do fi n d u s t r i a ln o w m 船s u 坝n 锄tf i o ri t ss i m p l ep 血c i p l e ，w i d em e 勰u 僦l e n t 啪g e ，锄dh a v i l l gn om o va _ b i ep a r t s w i t l lt h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to fm o d 锄i l l f 0 1 胁a t i o n 锄dw i r e l e s st e l e c o m m 砌c a t i 彻t c c h n o l o 画骼，d i s t r i b m e d c o n n 0 ls y s t 锄b a s e do nw 曲l e s sm 鲫i i 锄e n t 锄dc o n 臼o li sb o m i n gm o r e 锄dm o r ep o p u l 越 t h ev o n e xf l o w m 酏盯p r o d u c e db yn 刎i 1 1 9x i a oh l 姗m e n tm e 嬲u r e m 铋t 锄dc o n 仃o lc o ，l t d h 邪 o n l ys i m p l em n c t i o n s ，l o wi n t e 簿吼i o na n dn ow i r c l e 嚣t e l 烈；锄m u n i c a t i o nf h n c t i o n t h em a i l lc 伪1 细to f n l i st h e s i si sj 似a u t h o r i z e db yt h ec o m p a n yt od e v e l o pan 删卿eo f 妇e l l i g tv o n e xf l o w m e t e r p r o t 咖ew 油w h l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n 锄dm 砌t o 血g 矗m c t i o n t h ep r o t o t y p ei s 麟p e c t e dt oh a v e s u c h 如n c t i o n s 舔n o wm e 硒u 他m 锄t ，v a l v ec o n 臼0 l ，c h a 唱i 1 1 9 ，t o u c h - s c 陀t e l l l l i l l a ld i s p l a y i r 坞，g p r s w i r e l e 鹳c o 埘【r i l u n i c a t i o n ，e t c nm a i l l l yc o n c l u d e sv o n e xf l o w m e t e r ，d o m i l l 孤1 tc o n 仃0 l l e r e l e c 仃i c a lc o n 仃o l 斛s t e m 锄dt o u c h s c 他e nd i s p l a y i i l gt 锄i i l a l t o g e n l e rw i n ln l e 嗽n o t es e n 嘲。t oc o n s t i t i n ea 、v h o l l y 舱w 咖eo f v o r t c xm & cs y s t 锄 1 1 1 i sm e s i si s 舭锄g e d 勰n l ef o l l o w i l l gl i l l e s ：( 1 ) 1 1 1 ef i r s tc h a p t c ri n 仃0 d u c e st h eb 孔k g r o m d ，姒盯 觚dd 锄觚do ft 量l es u b j 毗( 2 ) n cs e c o n dc h a p t 盯i 1 1 臼o d u c e st l l ed e s 咖o f g e r a lp l 锄崦( 3 ) 1 1 1 em 矾 c h a p t e fi sa _ b o l l tu l ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f a l l 廿l eh a r d w a 他c i r c u i t s ；( 4 ) t h ef o u r t hc h a p t 盱i n t r o d u 圮st 1 1 e a l g o r i t l l n l s a n di m p l 锄钮t a t i o fs o 胁a r em o d u l e ；( 5 ) 1 1 1 ef i f h lc h a p t e rm a i l l l y 他f e 塔t o 曲 i i l l p l e m 饥t a t i 册o f 崩n o t ew h l e s st e l e c o m m 吼i c a l i o nb a s e d 姐g p r sm o d u l em c 5 5 ；( 6 ) n es i x n l c h a p t 盯i l l t r o d u c e s 协ep r o b l e m sc o n 台o n t e dd l l r i l 培t h er & dp r o c 豁s 锄dt l l e i r l u t i o n 弱w e n 觞t l l e d e b u g g i l l gm e t h o d so ft l l ep r o t o l y p e d t l r i n g 也ep r e p 啪t i o f 龇m e s i s ，ih a v e 觚s h e da l lm er & dw o d co f 舭p r o t o 帅ee x c 印t 也e t o l l c h - s c r e 饥p l a t f o ms o 小帕r e 舔w e l la st l l ej o i n td e b u g 西n go fn l i s 科s t e i n t e s t m g 孤dc 眦m i s s i o n 啦 w i t l lm o 陀n 1 觚t w om o n 廿l sh a sp r o v e dt 1 1 a tt 1 1 ep r o t o t y p e 锄c c o m p l i s h e sa ut h ei i l d e x e sw e u 姐dc 孤b e p r o d u c e d 嬲m eo p e m t i o n a lv e r s i o n b 舔e do nt l l ed e s i 弘o ft l l ep r o t o t y p e ，ih a v ea p p l i e das o 腑a r e c o 州g h tn 锄e d ak i n do fe m b e d d e ds o r w a r ef o rl u g b - z kh l t e n 瑭m t 、，0 f t c xf l o w m e t 酽w h i c hh 邪 b e a c c e p 刚锄dp u b l i s h c d 【k e y w o r d s 】v o n e xf l o 、：l ，l e t e r ，m o n i t o 血g ， w i 他l e s sc o m m 岫i c a l i o i l g p r s ，s m s 目录 目录 摘要i a b s 廿a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景与意义l 1 2 涡街流量计的发展与现状2 1 3 课题来源与设计要求3 第二章系统总体方案设计5 2 1 系统需求分析及功能技术指标5 2 1 1 需求分析5 2 1 2 系统功能技术指标5 2 2 系统总体方案设计6 2 2 1 系统总体框架构建6 2 2 2 涡街流量计量仪方案设计8 2 2 3 主控仪方案设计l l 2 2 4 无线数据传输方案设计。1 2 第三章系统硬件设计。1 5 3 1 系统硬件总体架构设计1 5 3 2 涡街流量计量仪设计1 6 3 2 1 流量计量仪硬件结构16 3 2 2 嵌入式处理器的选型1 6 3 2 3 微控制器m s p 4 3 0 f 4 3 5 i p n 简介及最小系统设计1 9 3 2 4 信号调理电路2 0 3 2 5r s 4 8 5 通信电路2 3 3 2 6 键盘和显示电路：2 4 3 2 7 电源管理模块2 4 3 3 主控制仪设计2 7 3 3 1 主控制仪总体硬件结构2 7 3 3 2 嵌入式处理器选择及系统具体硬件结构设计。2 7 3 3 3g p r s 模块的选型和硬件电路设计2 9 3 3 4 微控制器l p c 2 1 3 6 最小系统设计。3 4 3 3 5 争行通信接口电路。3 4 3 3 6 数据存储器电路。3 6 3 3 7 数字量信号输入输出电路3 8 3 3 8 电源管理模块3 9 3 4 电气控制系统设计4 4 3 4 1 电气控制系统原理图设计。4 4 3 4 2 电气控制系统控制原理4 5 第四章系统软件设计4 7 4 1 系统软件总体结构设计4 7 4 1 1 软件需求分析4 7 4 1 2 软件总体结构设计4 8 i 目录 4 2 涡街流量计量仪的程序设计4 8 4 2 1 流量测量模块4 8 4 2 2 数据掉电保护模块。5l 4 2 3r s 4 8 5 通信模块5 3 4 3 主控制仪软件设计5 4 4 3 1 软件总体结构设计与中断管理机制5 4 4 3 2 系统初始化模块5 7 4 3 3 数字输入量检测及报警策略5 8 4 3 4 与涡街流量计量仪的通信模块5 9 4 3 5 与触摸屏终端的通信模块6 l 4 3 6 无线g p r s 和s m s 通信处理模块6 2 4 3 7 计费管理模块6 5 4 4 本地和远程服务器端监控平台设计6 5 4 4 1 本地端监控平台设计6 5 4 4 2 远程服务器端监控平台设计6 7 4 5 系统m o d b u s 通信协议定制。6 9 4 5 1m 0 d b u s 通信协议概述。6 9 4 5 2m o d b 懈协议的容错校验方法。7 0 4 5 3 本系统m o d b u s 通信协议的实现7 l 第五章远程无线数据通信的设计和实现7 5 5 1g p i 峪和s m s 通信原理7 5 5 1 1g p r s 通信原理7 5 5 1 2s m s 通信原理7 6 5 2 基于m c 5 5 的g p r s 和s m s 无线通信设计实现7 8 5 2 1g p r s 和s m s 通信的a t 指令设计7 8 5 2 2g p r s 和s m s 通信的初始化设置策略。8 0 第六章系统开发与调试8 3 6 1 系统软、硬件开发平台8 3 6 1 1 软件开发平台8 3 6 1 2 硬件开发平台8 4 6 2 系统调试方法8 5 6 2 1 主控制仪硬软件调试8 5 6 2 2 系统联调8 6 6 3 系统研发遇到的典型问题及解决方法8 7 结束语9 l j l l 谢9 ：! 参考文献9 3 研究生阶段研究成果及发表论文9 5 附录a 样机实物图片。9 6 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 2 1 世纪是信息的世纪。信息是物体和现象属性的反映，而信息又必然会通过一定形 式的信号反映出来。人们要了解、研究物体和现象的属性，首先需要把信号检测出来， 然后进行各种处理和分析，其目的就是为了准确获得表征它们属性的定量信息，为生产 过程和科学研究提供可靠的数据。因而检测理论和技术就成为一门重要的学科u ，。 基于检测理论和技术的流量测量在各行各业都有着广泛的应用：石油工业生产中， 从石油的开采、运输、冶炼、加工直至贸易销售的各个环节都离不开流量计量：在化工 行业中，流量计量不准确不但会造成化学成分比例失调，难以保证产品质量，更严重的 甚至会引发生产安全事故；在电力工业生产中，液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和 调节占有重要地位，这些流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有 很大的经济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量已成为保证发电厂安 全运行的重要环节啪扣。 在工业领域，自动化技术的迅速发展对检测技术提出了愈来愈高的要求，检测技术 己由传统测量非电参数的传感器技术及应用电测方式的仪表测量技术进入到应用智能 传感器、智能仪表的智能化检测阶段。尤其是近年来，新材料、新结构传感器的研制成 功以及微型计算机的广泛开发和应用给现代流量检测技术的变革带来了深远的影响h ，。 现代工业中的流量测量装置采用了各种各样的方法，可应用于各种不同的场合和不 同的测量目的。这些测量方法往往基于各种不同的测量原理，利用各种不同的输出信号 来反映流量的变化，于是各种各样的流量计便应运而生，如涡街流量计、涡轮流量计、 电磁流量计等。我国大致从8 0 年代开始从国外引入流量计进行流量测量，主要有容积式、 质量式和速度式三类流量计，其中速度式中的涡街流量计量仪，以其原理简单、量程宽、 无可动部件、使用范围广等优点，一经引入，便得到了广泛应用。近些年来，我国有知 识产权的各类流量计产品也取得了蓬勃发展。 另外，现代网络通信技术尤其是无线网络技术的出现和快速发展，使社会生活面貌 发生了极大的变化。人与人之间的沟通更加便捷，信息的交流更顺畅。但是，目前这种 网络通信能力多仅局限于计算机和其他一些消费类的i t 设备，而众多的普通设备如家 电、车辆、工厂设备等几乎都不具有联网和通信能力。现在正逐步显现并引起重视的m 2 m ( m a c h i n et om a c h i n e ) 技术的核心理念是网络一切( n e t w o r ke v e r y t h i n g ) ，其技术目 标就是要使所有机器设备都具备联网和通信能力，因而具有非常重要的意义，并且必将 带来社会生产和生活方式新一轮的变革璐】。运用m 2 m 技术的设备，可以实现两种基本功能： 远程监视、控制和诊断；资产跟踪及供应链管理。m 2 m 技术的实际可应用空间异常广阔 和丰富，甚至可以说，想象的空间有多大，它的应用空间几乎就有多大。 在现代化工业生产的流量计量过程中，一个典型的m 2 m 应用方案就是开发一套可实现 远程无线数据通信的流量计量和监测控制系统，这也是本论文课题要设计的新颖智控涡 街流量计的主要目标。 本论文课题的主要目的就在于要设计一套可应用于现代化工业生产的液体流量计量 和监测控制、并且能够实现远程无线数据通信的新颖智控涡街流量计。该流量计除具有 基本的流量计量功能外，还附加有可实现远程无线数据通信的功能模块，使其可通过无 线及有线网络与远程端服务器主机建立稳定可靠的连接，从而实现各种数据的无线通 信。远程服务器可主动发送命令查询本地端流量计的实时计量数据及系统其它相关参数 查堕奎堂堡主堂垡笙茎 信息，还可发送参数设置及控制命令进行远程控制，所有这些操作在对系统进行合理的 软、硬件配置并运行后，除偶尔的参数设置操作由人为干预手动进行外，其它的数据采 集及极限报警状态下的控制操作都由系统自动完成，从而构成一个功能完善、不同于传 统计量仪表的新颖涡街流量计量监控系统( 以下简称“系统 ) 。 1 2 涡街流量计的发展与现状 1 涡街流量计的历史发展与现状 涡街流量计，又称卡门涡街流量计，是利用流体自然振动原理制成的一种旋涡分离 式流量计。早在1 8 7 8 年，斯特劳哈尔就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯 特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸和流速关系的相似准则。 早期对涡街的研究主要是出于防灾减灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流 体涡街频率合拍将产生共振从而破坏设备。2 0 世纪5 0 年代，涡街流体振动原理开始用于 测量，如风速计和船速计等。6 0 年代末有人开始研制封闭管道流量计一涡街流量计量仪， 并于7 0 、8 0 年代将其批量投放市场使用哺1 。德国费雪波特公司( f o x b o r o ) 、日本横河公 司和美国罗斯蒙特公司在涡街流量计研究和开发上居于世界领先地位。其中，日本横河 于1 9 6 8 年生产出世界上第一台涡街流量计，因而它是世界上最早生产涡街流量计的公 司，并且在涡街流量计技术研究中一直处于领先地位；美国罗斯蒙特公司研制出了以数 字跟踪滤波器( d i g i t a lt r a c k i n gf i l t e r ) 为核心的涡街流量数字信号处理系统，极大 地提高了流量测量的可靠性和准确性，其产品在世界流量检测领域中占有很大比重；德 国费雪波特公司的自适应滤波( a d a p t i v ef i l t e r ) 技术在提高流量测量的精度方面起了 很大作用，该公司目前不仅是世界上最大的流量仪表生产厂家，而且是无可争辩的全球 流量计技术的领导者，很多领先的流量计技术都是由其首先开发并应用推广1 。 5 0 多年的工业应用已经证明了涡街流量计在流体计量中的可靠性和精确性。不仅如 此，它的优点还包括仪表内无机械可动部件，性能可靠、使用寿命长；被测流体本身就 是振动体；流量测量几乎不受流体组分、密度、粘度以及压力等因素的影响；介质适应 范围宽，可适用于液体、气体和蒸汽的测量；压力损失小，量程宽：可直接输出数字信 号等8 1 。 涡街流量计拥有诸多优点的同时也存在一些不足之处：一方面，涡街流量计的测量 基于流体振动原理，易受外界振动干扰，附加的漩涡会干扰正常的涡街信号，降低信噪 比；另一方面，小流量所产生的压力较小，检测信号较微弱，易受流体冲击振动噪声和 管道振动噪声的影响，因而存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小流量时不 易测量嘲。 为了改善涡街流量计的抗干扰性能并降低它的量程下限，国内多家研究机构和学者 都做了大量的工作并取得一定的有效成果。重庆工业自动化仪表研究所和北京公用事业 研究所的专家分别针对工业现场的电磁干扰、管道振动干扰和流场干扰，研究了涡街流 量计在屏蔽、结构设计和安装上的对策。他们同时认为，采用一定的电路和信号处理方 法可以有效地降低振动噪声n 干扰；长沙矿山研究院和浙江大学机电控制研究所从传感 器入手，研究了提高涡街流量计抗振性能和扩展量程下限的途径；哈尔滨工业大学的龚 振起老师等将自适应处理方法应用于涡街流量计，采用线性预测谱估计法进行频谱分 析，获得希望的信号频率。 2 涡街流量计的研究发展方向 国内外学者的研究工作已经解决了涡街流量计在工程应用中出现的很多问题，极大 地推进了它的应用，同时为进一步研究创造了条件。而随着现代智能仪表技术、数字信 号处理技术以及无线网络通信技术的快速发展，涡街流量计的研究内容已经更加丰富。 综合国内外研究现状及现代新材料、电子和网络技术的发展，今后涡街流量计的研 2 第一章绪论 究有望在如下方面获得较大进展： ( 1 ) 采用新型涡街传感器设计方法，从机械性能角度尽可能消除或减少外部干扰： ( 2 ) 采用先进的数字信号处理算法，从软件角度更好的解决抗干扰问题，提高流量 测量精度； ( 3 ) 结合现代电子技术的进步，设计高度智能化的流量计量仪表； ( 4 ) 充分借助当前快速发展的有线和无线网络技术，研制具有有线无线通信功能 的新型涡街流量计，在更为广阔的空间内充分提升流量计的系统集成性能； ( 5 ) 创新思路，打破传统流量计只计流量及数据显示的性能局限，将流量计费、数 据传输和管道阀门控制功能进行集成，上升至系统级概念，从而构建新型智控 涡街流量计； 从根本上讲，上述研究发展方向并不只限于涡街流量计这一类仪表，而是普遍适用 于各种流量计的通用技术标准和前景，值得工程技术人员投入足够的精力进行研究和开 发。 1 3 课题来源与设计要求 本课题为校企合作项目，南京西奥仪表测控有限公司是一家主要从事各种规格的涡 街流量计、超声波流量计、电磁流量计等流量仪表设计制造和工程配套业务的科技型企 业，该公司目前生产的涡街流量计功能单一、集成度不高并且不具有无线数据通信功能。 本学位论文的主要内容即是受该公司委托、研制一款具有无线数据通信功能的新颖智控 涡街流量计产业化样机。 经过多方查阅相关资料以及充分的市场调研，最终确定该样机要具有流量计量、阀 门控制、充值计费管理、触摸屏终端监控显示以及无线数据通信等多种功能。根据这些 功能要求和今后新型流量计的研究发展方向，确立本课题需重点研究的内容如下： ( 1 ) 设计高性价比的智能化涡街流量计量仪表，实现流量的准确计量； ( 2 ) 构建本地端监控及显示系统，可综合实现流量数据实时显示、充值预付费管 理、阀门控制、有线及无线数据通信等多种功能； ( 3 ) 结合现有网络技术成果，重点研究一种合理高效的无线通信方式，并将其付 诸实施以实现本系统预期的远程无线数据通信要求； ( 4 ) 制订符合本系统应用需求的高效合理的通信协议； ( 5 ) 采用各种措施以提高系统整体可靠性和抗干扰能力； 东南大学硕士学位论文 4 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 系统需求分析及功能技术指标 2 1 1 需求分析 随着现代新型电子技术和网络通信技术的不断快速发展，传统的单纯流量计量式仪 表已经越来越难以满足用户日益增长的功能需求。现如今，对于各种流量计量仪表，人 们在要求其具备基本的流量测量的基础上，往往还会提出一些其它更高的要求，如可通 过有线或无线方式实现系统集成以便于数据统计管理及避免人工抄表，可方便地进行阀 门开关控制及流量监测等； 由第一章绪论中相关内容介绍可知，本课题来源于校企合作项目，旨在为南京西奥 仪表测控有限公司研制开发一款新颖智控涡街流量计产业化样机，以提升其企业产品竞 争力。本着服务社会的原则，同时也希望本课题设计的新颖涡街流量计能够标新立异， 在行业同类产品中起到一定的引领作用，并且能为用户的使用和管理带来更大的方便。 经过多方查阅相关资料以及充分的市场调研，同时基于第1 3 节课题设计要求及目标分 析，对本课题要设计研发的新颖智控涡街流量计提出如下基本需求： ( 1 ) 计量功能：实现准确的瞬时流量和累积流量计量； ( 2 ) 显示功能：可显示瞬时流量、累积流量、状态报警信息以及相关参数的历史数 据记录信息； ( 3 ) 参数设置功能：可设定并保存系统相关参数，如：仪表地址、参数报警限值等： ( 4 ) 充值计费功能：预付费管理功能，可充值( 正值、负值) ，可修改计费单价； ( 6 ) 控制功能：阀门强开强关控制、余额不足自动关闭阀门功能； ( 7 ) 有线及无线数据通信功能：分别应用于本地端和远程端的数据通信及传输； 2 1 2 系统功能技术指标 基于上述系统功能需求，经过认真分析和方案论证，最终确定本新颖智控涡街流量 计应具备如下的具体功能技术指标。 1 具体功能指标如下： ( 1 ) 流量计量功能 基于涡街传感器和二次积算仪表实现对流体瞬时流量和累积流量的准确计量； ( 2 ) 触摸屏终端显示功能 1 ) 可显示瞬时流量、累积流量、计量单价、计费余额和可用余量等； 2 ) 可实时显示阀门开关状态； 一 3 ) 可显示系统报警信息( 当相关参数按照设置处于报警状态时) ； 4 ) 可查询流量、计费金额等参数的历史数据记录以及各参数的设置数值； ( 3 ) 参数设置功能 可设定并保存系统各相关参数，如：仪表地址、计费单价、余量报警线、月定 量、日定量、服务器i p 地址和端口号、操作手机号码等； ( 4 ) 计费管理功能 1 ) 预付费充值( 正值、负值) ； 2 ) 可修改计费单价； ( 5 ) 报警功能 1 ) 强行打开控制柜门报警： 东南大学硕士学位论文 2 ) 用气余量不足报警； 3 ) 交流电来停电报警； 4 ) 蓄电池电量快用完报警； 5 ) 仪表流量超限报警； ( 6 ) 控制功能 1 ) 阀门强开、强关控制； 2 ) 预付费用完( 欠费) 后自动关闭阀门； 3 ) 预付费后( 未欠费) 阀门正常打开； 4 ) 超用量后可选控制阀门关闭或者加倍收费； 5 ) 可设置控制柜门防盗锁定及取消防盗状态； ( 7 ) 数据通信功能 。 1 ) 本地有线通信方式 主要用于本地端各不同功能模块间的数据传输和通信； 2 ) 远程无线通信方式 本地计量监控终端与远程服务器端能够建立无线连接，实现远程无线数据 通信和控制； ( 8 ) 实时参数保存功能 系统参数如仪表地址、计费单价、服务器i p 地址和累积流量等在系统掉电后 不能丢失。尤其是累积流量，因为其动态变化，需考虑合理的掉电保护措施； 2 具体技术指标如下： ( 1 ) 流量计量准确，精度等级l 级； ( 2 ) 测量范围宽，量程比2 0 ：1 ； ( 3 ) 具有数据掉电保护功能，设置参数可永久保存： ( 4 ) 可交、直流( 蓄电池) 供电，且在交流电有电时由交流供电，交流断电后主系 统需至少能工作两天以上，并同时发出报警信息； ( 5 ) 系统有良好的防尘、防湿、抗震、抗干扰和稳定运行的特性； 2 2 系统总体方案设计 2 2 1 系统总体框架构建 1 系统功能模块划分及框架构建 本新颖智控涡街流量计的基本功能是实现流量计量，同时又附加了阀门控制、触摸 屏终端显示、充值计费管理、报警数据监测及远程无线数据通信等诸多独特功能。从某 种意义上来讲，本流量计实际上已经构成一套功能完善的新颖涡街流量计量测控系统 ( 以下简称系统) 。 根据系统需求分析和功能技术指标，结合实际可能的应用场合，同时考虑到灵活配 置和方便管理的需要，最终决定采用“测、控分立”的系统架构模式，整套系统包含如 下基本组成部分：涡街流量计量仪( 计量核心) 、主控制仪( 控制核心) 、电气控制系统、 电动阀门、本地触摸屏显示终端及远程服务器终端等。系统组成结构框图如图2 1 所示。 各部分功能分别如下： ( 1 ) 涡街流量计量仪：主要实现对瞬时流量和累积流量的计量，同时配备通信接 口与主控制仪进行数据通信； ( 2 ) 主控制仪：整套系统的监控核心，主要用于系统各项参数保存、充值计费管 理、有线和无线数据通信以及阀门开关控制等； ( 3 )电气控制系统和电动阀门：主要实现对阀门强开、强关的控制以及防盗监测； 6 第二章系统总体方案设计 涡街 j触摸屏 ， r ll 显示终端流量i = i 量仪 1， r 主控制仪 电气控制系统 l l 远程 服务器终端和电动阀门 t r 1r 图2 - l 系统组成结构框图 ( 4 ) 本地触摸屏显示终端：基于微型计算机和触摸屏，主要用于系统实时数据显 示、参数设定以及历史数据保存等功能； ( 5 ) 远程服务器终端：与本地触摸屏显示终端实现基本同样的功能，区别仅在于 其所有显示和参数设置数据均是经由无线网络与本地端主控制仪进行通信， 以实现远程监控； 在实际系统各组成部分组装配套设计过程中，一方面兼顾“测、控分立 的原则， 另一方面又尽可能做到各部分组装的整体化，因为整体化程度越高，就越能提高系统的 可靠性，在给现场安装带来便利的同时反过来又降低了维护成本。最终确定本新颖智控 涡街流量计量监控系统的外部整体效果图如图2 2 所示。 涡街流量计量仪和阀体 控制柜 远程服务器 图2 2 新颖智控涡街流量计量监控系统整体效果图 如图2 2 所示，整套系统从外部看分为三个部分：涡街流量计量仪和阀体、本地端控 制柜和远程端服务器。对应于前述系统各组成部分，流量计量仪和阀体部分包括涡街流 量计量仪和电动阀门；本地端控制柜部分包括触摸屏显示终端、主控制仪以及电气控制 系统；远程服务器部分即远程服务器终端。其中，控制柜在整套测控系统中处于中心地 位，它与流量计量仪和阀体部分以有线方式进行数据通信和控制，与远程服务器端以无 线方式实现数据通信。 2 系统各组成部分的设计实现方法分析 考虑到系统工艺要求以及需要达到的功能技术指标，并综合考虑性价比和现今流行 的技术方案，对系统各组成部分的实现方法初步确定如下：( 1 ) 对于涡街流量计量仪和 主控制仪，采用以嵌入式微处理器作为核心控制单元，同时增加必要外围器件的方案， 分别设计块独立的硬件电路板，并编写相应的嵌入式软件程序以实现预期功能：( 2 ) 对于电气控制系统，采用以电磁继电器为核心搭建必要电路系统的方案；( 3 ) 对于本地 触摸屏显示终端和远程服务器终端，分别以微型计算机为硬件平台，并根据需要开发各 自的上位机应用软件程序。控制柜和涡街流量计量仪之间的数据通讯，采用业界普遍应 用的r s 4 8 5 总线；控制柜与远程服务器之间的数据通信采用无线方式进行，具体实现方 案将在第2 2 4 节进行讨论。 7 查堕奎堂堡主堂垡堡苎 综上所述，本新颖智控涡街流量计既包含硬件电路，又包含软件程序；既有基于微 控制芯片的嵌入式电路，又有基于机械和电气器件的电气电路，因而是一套综合、智能 化的测控系统。同时，不同于传统流量计的单纯计量功能，本系统还实现了充值预付费 管理和远程无线数据通信功能，因而对于提升现有流量计量仪表的自动化水平将起到极 大的促进作用，必将拥有广阔的市场应用前景。 涡街流量计量仪和主控制仪是本系统中最为关键和复杂的功能组成部分，同时还需 考虑选择一种合理高效的无线数据传输方案，下面将分别对它们进行单独讨论。 2 2 2 涡街流量计量仪方案设计 1 涡街流量计量仪的测量原理 所谓流量，是指单位时间内流体( 气体、液体、粉末或固体颗粒等) 流经管道或设 备某处横截面的数量，又称瞬时流量，而累积流量是指在一定时间内流过管道横截面的 流体总量。当流量以体积表示时称为体积流量，以质量表示时称为质量流量u 。现代工 业生产中进行流量测量通常应用各种流量计量仪表，简称流量计。 涡街流量计量仪是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。这 种流量计是在流体通过的管道中安放一根( 或多根) 非流线型发生体( 一般常采用三角柱 型旋涡发生体) ，流体在发生体两侧交替地分离释放出两列规则的旋涡，在一定的流量 范围内旋涡分离频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体的特征宽度有关， 通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。这一产生漩涡的 理论首先由科学家卡门( k a r m a n ) 提出，所以被命名为卡门涡街，相应的流量计也被称 为涡街流量计u 扣。涡街流量计一次侧装置的简图如图2 3 所示。 、图2 3 涡街流量计量仪一次装置简图 科学试验证明，在一定的雷诺数( r e ) 范围内，每列漩涡产生的频率f 与流体平均 流速v 和漩涡发生体的形状有如下确定关系： 厂：型2 ( 2 1 ) 。 d 式( 2 1 ) 中。 f 为旋涡的释放频率，单位h z ； v 为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位m s ； d 为旋涡发生体特征宽度，单位m ； s t 为斯特罗哈数( 无量纲) ； 8 第二苹系统总体方案设计 其中，s t 的数值范围为0 1 4 - 0 2 7 ，它是雷诺数r e 的函数，s = 厂( 1 r e ) 。当雷诺 数r e 在2 l o _ 7 1 0 6 范围内时，s t 值约为o 2 ，可作常数处理，此时旋涡频率f = 0 2 v d 。实际工业测量中的流体雷诺数几乎都不超过上述范围。如果雷诺数超出该范围， 则斯特劳哈尔数将随雷诺数变化发生或高或低的变化，如果流体流量频率仍按式( 2 1 ) 计算就会出现非线性n 羽。 式( 2 1 ) 表明，在一定流量范围内，漩涡产生的频率仅决定于流体的流速和漩涡发 生体的特征尺寸，而与流体的物理参数如温度、压力、密度、粘度及组成成分无关。由 此可知，当漩涡发生体的形状和尺寸确定后，通过测量旋涡频率可以计算出流过旋涡发 生体的流体平均速度v ，再由式q = v s ( s 为流体流过旋涡发生体的截面积) 就可以求出 瞬时流量q 。 对于不同的漩涡发生体，其流体截面积的计算方法不同，为了方便介绍，现以圆柱 型发生体为例，设其直径为d ，管道内径为d ，则在漩涡发生体处的流通截面积为： s = 讣昙唔“n 1 纠 旺2 ， 当d d o 3 时，s 近似为： s = 等( - 一丢) 4l d 夕 设流体的平均流速为v ，则瞬时流量q 为： q = 谬= 等( 一吾) 令k 2 南则对于固定的流量计仪表来说，k 为常数值。 灿= 丢( 朋3 埘 由式( 2 5 ) 可知，瞬时流量q 与频率f 成线性关系。 累积流量q 为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) q = f 秘= r 知= 壶f 触= 去i 柳 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中 n 为流体频率脉冲个数； k 为仪表系数，单位为脉冲个数m 3 ，表示每m 3 流量对应的脉冲个数； 即累积流量q 的计算就是把之前所有的脉冲数进行累加，然后再除以流动系数k 。 通过式( 2 5 ) 计算出来的瞬时流量量纲为m 3 s ，而通常使用m 3 m 作为计量单位，故 q ：( m ，s ) ：巫堕盟( m ，彻 ( 2 7 ) kk 。 综上所述，流体的瞬时流量和累积流量与涡街传感器输出的信号频率直接相关，且 理论上成线性关系。当卡门旋涡在发生体两侧产生时，利用压电传感器测出与流体流向 垂直的交变压力变化，将压力的变化转换为电的频率信号，再将频率信号进行放大和整 形，输出到二次仪表进行积算，就能得到流体的瞬时流量和累积流量，更进一步通过二 9 查重奎堂婴主兰竺堡茎 次仪表还可以进行数据显示或远传，能够实现这些基本处理功能的仪表也就构成了通常 意义上的涡街流量计量仪