（检测技术与自动化装置专业论文）智能差压质量流量计的研究.pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 流量是目前最常见的三大测量参数之一。流量测量的应用领域极其广泛，在 现代工业生产过程中，在企业管理、流体输送和贸易交接上，在能源计量、环境 保护、生物技术等方面，是有效进行生产操作和控制、节约能源、改善产品质量、 提高经济效益和管理水平的重要保证和必备手段。由于生产过程控制、质量管理、 经济核算和贸易结算等一般均以流体质量为单位，因而，质量流量计的研究备受 关注。 本文以智能差压质量流量计为研究对象，主要进行了如下研究工作： 首先，深入分析了国内外智能差压质量流量计的研究现状和行业标准情况， 从节流装置入手探讨了差压质量流量测量原理，给出了差压式质量流量测量的数 学模型，剖析了管道结构参数、流体特性参数以及环境参数等对差压质量流量测 量的影响，为流量计的实际设计提供了必要的理论依据。 其次，设计了以w 7 8 e 5 8 单片机和t m s 3 2 0 f 2 0 6 d s p 为核心，以及l c d 、e 2 p r o m 、 双口r a m 、g a l 等芯片组成的硬件系统。用d s pj 占片进行算法处理；单片机芯片 用来控制外围电路，完成数据接收、参数设定、显示等功能。并详细论述了备器 件的原理及选型，讨论了通讯、显示、抗干扰等局部电路的设计需要解决的技术 问题，完成了p c b 板的整体设计与调试。 第三，研究了以差压、压力、温度为输入的质量流量的建模方法，利用神经 网络方法直接建立了质量流量的数学模型，并且通过m a t l a b 进行了模型的仿 真研究，从而使质量流最的测量的准确度比传统只采用差压和温度的建模的方法 有了明显的提高：同时还比较了b p 网络和e l m a n 网络中质量流量建模的优缺点， 给出了相应的仿真对比结果。 最后，完成了系统软件的设计和调试。主要包括整体结构设计、主程序设计、 计算模块设计、控制功能模块设计等几部份子程序。并探讨了今后科研工作的努 力方向。 关键词：差压、质量流量、神经网络、软件没计 上海大学硕士学位c 仑文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , f l o wi so n eo fm o s tf a m i l i a rt h r e ei m p o r t a n tm e a s u r i n gp a r a m e t e r s t h ea p p l i c a t i o no ff l o wm e a s u r e m e n ti sv e r yw i d e s p r e a d i nt h em o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s s ，e n t e r p r i s em a n a g e m e n t ，f l u i dt r a n s f e r s ，c o m m e r c e ，e n e r g ys o u r c e s m e a s u r i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n db i o l o g yt e c h n o l o g y , e t c f l o wm e a s u r e m e n ti s a ni m p o r t a n tg u a r a n t e ea n da b s o l u t e l yn e c e s s a r i l ym e a no fe f f i c i e n tp r o d u c i n gw o r k a n dc o n t r o l ，e c o n o m i z i n ge n e r g ya n d i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y , e c o n o m yb e n e f i ta n d m a n a g el e v e l p r o d u c i n gp r o c e s sc o n t r o l ，q u a l i t yc o n t r o l ，e c o n o m yc h e c k i n ga n dt r a d e r e c k o n i n go f t e nr e g a r df l u i dm a s sa st h eu n i t s o ，t h er e s e a r c ho fm a s sf l o w m e t e ri s v e r yp o p u l a r i nt h i sp a p e r , as m a r td i f f e r e n t i a lp r e s s u r em a s sf l o w m e t e ri sr e s e a r c h e d ，a n dt h e m a i nw o r ki sa sf l l o w ： f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u sa n dt h ep r o f e s s i o n a l s t a n d a r do fs m a r td i f f e r e n t i a l p r e s s u r em a s sf l o w m e t e ra r ea n a l y z e d t h r o u g h d i s c u s s i n gp r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed i f f e r e n t i a l p r e s s u r e m a s sf l o w m e t e ri se d u c e da n dt h ei n f l u e n c eo fp i p e s t r u c t u r e ，f u i d c h a r a c t e r i s t i c sa n de n v i r o n m e n tp a r a m e t e r so nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em a s sf l o w m e t e ri s e x p a t i a t e d a l lt h e s ep r o v i d et h en e c e s s a r yt h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ea c t u a ld e s i g no f t h ef l o w m e t e r s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r es y s t e mo fm c uw 7 8 e 5 8a n dt m s 3 2 0 f 2 0 6 d s pa sc o r e ， l c d ，d u a lp o r tr a m ，e 2 p r o m ，g a l ，e t ca st h ea s s i s t a n tc h i pi sd e s i g n e d i nt h i s s y s t e m ，d s pc h i pi su s e do na r i t h m e t i cc o m p u t i n g ，m c uc h i pi su s e do nc o n t r o l l i n g p e r i p h e r yc i r c u i t st oc o m p l e t er e c e i v i n gd a t a ，s e t t i n gp a r a m e t e r s ，d i s p l a yf u n c t i o n ，e t c t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i pa n dt h ec h o i c er e a s o na r ea l s oa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ， s o m et e c h n i c a lp r o b l e m so nc i r c u i t d e s i g no fc o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ea r ed i s c u s s e dt h ew h o l ed e s i g na n dd e b u g g i n go fp c ba r ec o m p l e t e d t h i r d l y , w i t hd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea si n p u t s ，t h em o d e l i n g m e t h o d so fm a s sf l o wa r er e s e a r c h e d m a t h e m a t i cm o d e lo f m a s sf l o wi se s t a b l i s h e d b yn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m t h r o u g ht h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni nm a t l a b ，t h em e a s u r i n g i i 上海大学硕士学位论文 p r e c i s i o no fm a s sf l o wi sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lm o d e l i n gm e t h o db a s e do nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ea tt h es a m et i m e ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb pn e u r a ln e t w o r ka n d e l m a nn e u r a ln e t w o r ki nt h em o d e l i n go fm a s sf l o wa r ec o m p a r e d ，a n dt h er e s u k so fc o m p a r ea r e p r e s e n t e d f i n a l l y , f u l f i l lt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e ms o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ew h o l ef r a m e ， m a i np r o g r a m ，c a l c u l a t i o nm o d u l ea n dt h ec o n t r o lm o d u l e ，e t ct h ee f f o r td i r e c t i o no fs c i e n t i f i c r e s e a r c hf o rt h e 矗l n l r ei sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ，m a s sf l o w , n e u r a ln e t w o r k ，s o f t w a r ed e s i g n i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 流量、温度、压力是目前最常见的三大测量参数，其中的流量测量是发展最 早、测量最为复杂且难以准确测量的参数。目前，流量测量被广泛地应用于冶金、 电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业等诸多领域中， 是有效进行生产操作和控制、节约能源、改善产品质量、提高经济效益和管理水 平的重要保证。 凡涉及到有流动介质的工艺流程，无论是液体、气体或固体颗粒，都要求对 流量进行严格的检测和控制。在化工行业，流量测量不准确会造成化学成分的分 配比例失调，无法保证产品的质量，严重的还会发生安全事故；在电力工业中， 对气体、液体等介质流量的测量和调节占有重要的地位；在农业生产中，农田水 利、气象风速等同样需要流量计量。在节约能源方面，为了对能源进行准确的计 量以便搞好节能工作，流量计量也起到了极为重要的作用；在环境保护中，废气 排放量的控制、污水的治理、垃圾回收等都是环保的重要内容，如何准确的检测 出废物的含量，并采取合理的处理办法，这都是流量计量的工作范畴；在日常生 活中，我们常用的有自来水表、管道煤气表等这都与流量测量息息相关。同时， 流量计量是企业经济核算的重要依据，流量计量的准确可靠直接关系到企业生产 的效率以及所能实现的最佳经济效益【2 j 。 随着科学技术的进步，流量测量的对象已经远远超越了传统工业管流的范 畴，并且会有更加广泛的应用领域。 1 1 流量和流量计 所谓流量，就是流体在具有一定面积的截面中流动时，把流过该截面的体积 或质量与时间之比。用流体流过的体积与时间之比表示流量时，称为体积流量。 用流体流过的质量与时间之比表示流量时，称为质量流量。 设流体通过截面中某一微分面积为d s ，并将通过该微分面积的流速取为v ， 则流体通过微分面积d s 的体积流量d q ；为： d q ，= v d s ( 1 1 ) 上海大学硕士学位论文 即 q = 妒d s ( 12 ) 若截面中流速相同，则 q ；= v s( 1 3 ) 如果液体的密度为p ，则质量流量q 。，为： q m = p 幺= p v s( 1 4 ) 测量流量的仪器叫做流量计。测量体积流量的流量计称为体积流量计，测量 质量流量的流量计称为质量流量计 。 1 2 质量流量计 在流量检测仪表的发展过程中，质量流量计的出现是个重要的转折点。在 工业生产和产品交易中，由于物料平衡、热平衡、储存等都需要知道介质的质量， 尤其在精细化工、航天工业以及石油工业当中，对计量的准确度提出了更高的要 求，质量流量测量由于不受外界条件影响更符合生产和贸易的需求。 质量流量计可以分成两大类：直接式质量流量计和组合式质量流量计。前者 是由检测元件直接检测反映质量流量大小的信号，从而得到质量流量值；后者是 通过检测两个以上的信号，并对这些信号进行换算得出质量流量，例如可以用体 积流量计和密度计组合，同时检测出物质的体积流量和密度，再通过运算器做乘 法运算得出质量流量的输出信号。 组合式质量流量计是由多种仪表组成的质量流量汁测量系统。这种质量流量 测量方法是较早地在工业上应用的一种质量测量方法。对于温度、压力变化范围 较小的测量场合，气体性质较接近理想气体范围的场合，或是温度一密度成线性 关系的介质来说采用组合式质量流量计能得到比较满意的测量结果 卜“。 直接法主要有以下几种测量方法： 1 振动测量法 最具代表性的是科里奥利质量流量计( c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ，c f m ) ，它 是采用振动测量管道的方法，使通过测量管路内的流体产生科氏力，使测量管中 前后两半段产生方向相反的绕曲，再用光学或电磁学的方法检洲绕曲量，从而求 得质量流量。 2 流体热交换法 上海大学硕士学位论文 典型的如热式质量流量计( t h e r m a lm a s sf l o w m e t e r ，t m f ) ，它是利用流动 中的流体与热源( 流体中外加热的物体或测量管外加热体) 之间热量交换关系来 测量流量。它有两种形式，即量热式与冷却式，前者为分布式仪表，测量范围有 限；后者为插入式仪表，测量范围较大。t m f 主要用来测量气体。 3 动量法 主要是双叶轮式质量流量计( d u a l t u r b i n em a s sf l o w m e t e r ，d t m f ) ，它是 利用流体在通过两个参数不同的叶轮时，产生不同的推动力矩，然后通过测量这 两个力矩之差得到质量流量。 4 差压法 最典型的如差压质量流量计( d i f f e r e n c ep r e s s u r em a s sf l o w m e t e r ，d p f m ) ， 它是利用孔板和定量泵来测量质量流量。主要方法有单孔板法、双孔板法、四孔 板法等。实际应用中以四孔板式为主，这种流量计又被称作惠斯登桥质量流量计 ( w h e a t s t o n eb r i d g em a s sf l o w m e t e r ，w s b m f ) 。它的优点是：结构简单、精 确度高、测试范围宽、线性度好，不受液体密度和粘度的影响、性能可靠。 组合法主要有以下几种测量方法： 1 体积流量和密度的组合 以涡轮式、容积式等传统体积流量计测得的体积流量9 乘以同期测得的流 体密度p ，求得质量流量q 。= p q v 。 2 流体动能和密度的组合 以检测动能的流量计代替体积流量计，用测得的动能p q , 2 和测得的密度p 相乘并开方来求得质量流量，即q 。= , p a 2 t 9 = p q 。 3 双流量计的组合 将检测动能的流量计和涡轮式、容积式等检测体积的流量计进行组合，两种 流量计串联连接在管道上，检测动能的流量计测得的信号p q 。2 和体积流量计测 得的q 。相除得到质量流量9 。用两种流量计组合成的质量流量计从理论上讲， 任何两种输出信号为平方关系和线性关系的仪表都能适用。 4 体积流量和间接密度的组合 当管道和流体的种类确定后，可将检测的体积流量根据测到的流体温度和压 力值通过软件或硬件进行补偿，自动换算成质量流量。这种形式的温度检测器、 上海大学硕士学位沦文 压力检测器很容易实现管道温度、压力检测。同时当温度、压力变化小而又遵守 理想气体规律时，以及在密度和温度是线性关系的温度变化范围内测量液体流量 时，只要决定了流体的种类也很容易对温度、压力进行补偿，而且检测精度和所 能适合的工业场所越来越广。但当温度变化范围变大、密度和温度间的关系不能 看成是线性关系时，或在高压下不遵守理想气体规律时，要自动补偿检测出来的 温度、压力就很困难。 由上述可知，流量计发展到今天已经日趋成熟，但其种类繁多，测量方法各 不相同，根据其自身特点应用在不同的领域。而差压式的流量计是一类应用最广 泛的流量计，在各类流量仪表中其用量居首位，是流量计选用时优先考虑的仪表。 因此，对差压式流量计中的差压式质量流量计的研究仍有很大的现实意义和价 值。 1 3 差压式质量流量计研究的现状 差压式质量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测量质量流量的仪表。差压式质量流量计由一 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 的型式对差压式质量流量计分类，如7 l 板型流量计、文丘里管型流量计及均速管 型流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流 量显示仪及计算仪表，它已发展为四化( 系列化、通用化、标准化及智能化) 程 度很高的类型规格庞杂的仪表。 1 3 1 节流检测件的研究 按检测件的作用原理可分为：节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动 压增益式及射流式等几大类，其中以节流式应用最为广泛。节流式流黾测量是指 采用孔板、喷嘴、文丘氏管测量满尉管流量，按其标准化程度分为标准式和非标 准式两大类。所谓标准检测件是指只要按照标准文件设计、制造、安装和使用， 无须经过实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。非标准检测件是成熟程度 较差的，尚未列入标准中的检测件。而以标准孔板为节流装置的差压式质量流量 上海大学硕士学位论文 计是工业生产及贸易结算中应用最广泛的流量测量仪表。 标准型节流装置的发展经历了漫长的过程，早在2 0 世纪2 0 年代，美国和欧 洲即开始进行大规模的节流装置实验研究。从最普遍的节流装置一孔板和喷嘴开 始实行标准化。现在标准喷嘴的一种型式i s a1 9 3 2 喷嘴，其几何形状就是3 0 年 代标准化的，而标准孔板亦曾称为i s a1 9 3 2 孔板。只有节流装置结构型式标准 化了，才有可能把国际上众多的研究成果汇集到一起，其意义是很深远的。因为 它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。 在i s o ( 国际标准化组织) 的组织下，经过3 0 余年的努力，第一个节流装 置国际标准i s 0 5 1 6 7 在1 9 8 0 年诞生了，它是节流式差压流量计发展史上的一。个 里程碑。但i s 0 5 1 6 7 亦暴露出许多缺陷，如标准中试验数据的陈旧性，i s 0 5 1 6 7 中采用的数据大多是3 0 年代的试验结果，经过几十年的发展无论节流装置制造 技术、流量试验设备及实验技术都有巨大的进步，重新进行系统地试验以获得更 高精确度及更可靠的数据是必要的；其次i s 0 5 1 6 7 中关于直管段长度规定的争 议，这个问题应是i s 0 5 1 6 7 修订的主要问题之一；再次是标准中各项规定的科学 性以及节流式差压流量计准确度如何更提高的问题。因为影响节流装置流出系数 的因素特别多，主要有孔径与管径的比值b 、取压装置、雷诺数、节流件安装偏 心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度、流体 流动湍流度等，众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，标准中有些规 定并非科学，为了取得一致，不得不人为地确定。整个8 0 年代欧洲和美国进行 了大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划，美国为a p i 实验计划， 它为i s 0 5 1 6 7 的修订打下坚实的基础。1 9 9 9 年i s o 发出i s 0 5 1 6 7 修订稿 ( i s o c d 5 1 6 7 1 - - 4 ) ，该标准修订稿与现有标准有实质性改变，是一个全新的标 准，在技术内容和编辑上都有较大改动。本来预定于1 9 9 9 年7 月在美国丹佛举 行的i s o t c 3 0 s c 2 会议上审查通过为d i s ( 国际标准草案) ，但是会议认为尚有 细节应再商榷而未能通过。 2 0 0 3 年3 月由国际标准化组织i s o 正式公布了最新的国际标准 i s 0 5 1 6 7 一l ：2 0 0 3 ( e ) 、i s 0 5 1 6 7 2 ：2 0 0 3 ( e ) 、i s 0 5 1 6 7 3 ：2 0 0 3 ( e ) 和i s 0 5 1 6 7 - 4 ：2 0 0 3 ( e ) 。新i s 0 5 1 6 7 在标准的两个核心内容有实质性变化，一是孔板的流出系数 公式，它用r e a d e r h a r r i s g a l l a g h e r 计算式( r g 式) 代替s t o l z 式，另一为节流 上海大学硕士学位论文 装置上游例直管段长度的规定及流动调整器的使用。 至此，对于孔板流量设备测量的主要标准有： 1 1a s m em f c 一3 mf 1 9 8 9 ) - - m e a s u r e m e n t so ff l u i df l o wi np i p e su s i n go r f - i c e ，n o z z l ea n dv e n t u r i ； 2 1a n s i a p i2 5 3 0 一a g ar e p o r tn o 3 ( b o t h1 9 8 5a n d1 9 9 2v e r s i o n s ) - - o r i f i c e m e t e r i n go fn a t u r a lg a sa n do t h e rr e l a t e dh y d r o c a r b o nf l u i d s ； 3 ) i s o 一5 1 6 7 ( 1 9 9 1 ) - - m e a s u r e m e n to ff l u i df l o wb ym e a n so fp r e s s u r e d i f f e r e n t i a ld e v i c e si n s e r t e di nc i r c u l a rc r o s s s e c t i o nc o n d u i t sr u n n i n gf u l l 。其中的 p a r t1 ：o r i f i c ep l a t e s ，n o z z l e sa n dv e n t u r it u b e s ； 4 ) i s o - 5 1 6 7 ( 2 0 0 3 ) - - m e a s u r e m e n to ff l u i df l o wb y m e a n so fp r e s s u r ed i f f e r - e n t i a ld e v i c e si n s e r t e di nc i r c u l a rc r o s s s e c t i o nc o n d u i t sr u n n i n gf u l l 。 其中与差压式质量流量计相关的章节有： p a r t1 一g e n e r a lp r i n c i p l e sa n dr e q u i r e m e n t s ； p a r t2 一o r i f i c ep l a t e s ； p a r t3 n o z z l e sa n dv e n t u r in o z z l e s ； p a r t4 一v e n t u r it u b e s 。 在1 9 8 1 年之前，我国一直使用原苏联的节流装置设计手册，1 9 8 1 年我国制 定了第一个节流装置的国家标准g b 2 6 2 4 8 1 ，随着科学技术的发展和检测手段的 提高，1 9 9 3 年我国修定后的国标为g b t 2 6 2 4 1 9 9 3 。1 9 9 2 年上海自动化仪表研 究所与用户合作对城市煤气流量计量提出多管并联及可交换孔板节流装置的测 量方案，取得较好的效果，并为此制订g b t 1 8 2 1 5 1 2 0 0 0 国家标准，希望以标准 形式推广先进成果。为了与国际标准同步，更有必要及时向我国计量管理人员， 设计、制造和使用部门的相关技术人员宣讲i s 0 新标准中的这些实质的重大变 化，使他们能及时了解和掌握这些主要变化，以免在工作中由于继续沿用旧标准 而造成失误。由于修订我国国家标准g b t 2 6 2 49 3 需要一段较长时间，因此，宣 传i s 0 5 1 6 7 2 0 0 3 ( e ) 最新国际标准就显得尤为重要。针对有关行业急需了解和 掌握i s 0 5 1 6 7 2 0 0 3 ( e ) 最新国际标准的实际，中国计量科学研究院举办了多次 专题讲座，邀请著名专家、学者向我国电力工业、化学工业、石油、水工业、冶 金和矿产工业、食品等从事流量专业工程设计、计量管理、使用节流装置的广大 上海大学硕士学位论文 用户和制造厂中的技术人员主讲国际标准1 8 0 5 1 6 7 2 0 0 3 ( e ) 的主要变化及 采取的应对办法，以加快差压式流量计标准与国际接轨的步伐p ”】。 1 3 2 差压变送器的研究 差压式流量计的二次装置差压变送器( 以下简称d p t ) 从早期精度低、笨重 的大位移( 几个m m ) 水银浮子式差压计，到5 0 年代体积大、结构复杂、可靠性差、 精度低的力平衡式d p t 。到了7 0 年代，随着技术的发展，出现了第3 代微位移( 小 于0 1 m m ) 电子式变送器。经过了几十年的发展历程，新一代d p t 结构简单、体 积小、精度高、可靠性好。敏感元件主要有电容式、扩散硅式、电感式等。进入 9 0 年代，由于电子技术、计算机技术的高速发展以及微电子机械技术( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a lt e c h n o l o g y 简称m e m t ) 的出现，使d p t 越做越小，功能也 越来越强，正向微型化、高精度、智能化、数字化方向快速发展。d p t 在自动化 仪表领域发展较早，5 0 年代就进入商品化工业应用，然而直到7 0 年代开始才有 很大发展，其后快速增长。例如d p t 著名生产厂美国r o s e m o u n t 公司1 9 9 6 年3 月称该公司从1 9 6 9 年第一台1 1 5 1 系列电容式d p t 诞生，到1 9 9 5 年1 1 月5 目， 累计销售4 0 0 0 0 0 0 台1 1 5 1 系列电容式d p t 。由于d p t 应用范围广、用量大，所 以当前国外d p t 制造厂也特别多。较有竞争力的d p t 制造厂有美国r o s e m o u n t 公 司，以电容式传感器为主的1 1 5 1 系列和3 0 5 l 系列d p t ；美国h o n e y w e l l 公司， 以扩散硅复合传感器为主的8 t 3 0 0 0 9 0 0 系列d p t ；日本y o k o g a w a 公司，以单晶 硅谐振式传感器为主的e j a 系列d p t ；日本f u j i 公司的硅微电容传感器为主的 f c x 系列d p t ；美国f o x b o r o 公司扩散硅式传感器的8 4 0 8 6 0 系列d p t 和多晶硅 固态传感器的i a s 系列d p t ；法国e l s a g b a i l e y 公司的电感式p t s 系列d p t ：英 国a b b k e n tt a y l o r 公司浮动双电感传感器6 0 0 t 系列d p t ；德国s i e m e n s 公司的 扩散硅式t m f 系列d p l 德国e n d r e s s + h a u s e r 公司陶瓷电容式p m c p m d 系列d p t ： 英国m o o r e 公司取硅电容式x t c 系列d p t 等。 我国d p t 起步相对较晚些。由于我国工业基础相对落后，自主开发微位移 电子式d p t 较为成功的企业较少，大多采取了引进技术或合资组装生产为主。 如西安仪表厂、北京远东仪表厂在8 0 年代，上海自动化仪表厂在9 0 年代初，均 从美国r o s e m o u n t 公司引进1 1 5 l 系列电容式d p t ；1 9 9 5 年四川仪表集团四川仪 上海大学硕士学位论文 表七厂与日本y o k o g a w a 引进合资e j a 系列d p t ；上海光华仪表厂依靠自己力量 于1 9 8 1 年成功开发了相当于1 1 5 1 系列的c e c 系列电容式d p t ；上海光华仪表 厂不仅能生产常规d p t ，而且是国内唯一能生产符合核电站要求的c e c ( h ) 系列 核安全级d p t 。( 国外也仅有少数企业能生产核级d p t ，如r o s e m o u n t 公司的 1 1 5 2 1 1 5 3 系列核级d p t ；e l a g b a i l e y 公司的b i b l o c 系列核级d p t ) 。我国目前 d p t 年需求量在3 0 万台左右，其中智能d p t 高档产品几乎被国外产品所垄断， 国内产品主要是常规的中、低端产品 1 2 , 1 3 。 1 3 3 差压式质量流量计的智能化的研究 自2 0 世纪8 0 年代以来，微处理器发展极为迅速，已逐渐成为信息科学和国 民经济高新技术企业的需求热点之一。自从世界上第一台单片机1 9 7 4 年被美国 仙童公司研制生产出来之后，经历了4 位、8 位、1 6 位单片机的发展历程，种类 和型号也是多种多样、层出不穷。近年来，随着v l s i 技术的发展，出现了一批 高速的专用单片数字信号处理器芯片，特别适合于在智能仪表中使用，例如t e x a s 仪表公司推出的t m s 3 2 0 系列d s p 处理器。因为以d s p 芯片为主体取代传统仪 器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起组成 新一代的智能仪表。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量仪表时，几乎没 有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表。 以d s p 为主体的智能仪表具有如下突出优点： 1 用程序代替各种电路进行运算处理，可以简化硬件，降低成本，提高可靠型； 2 数据处理精度高、综合性强； 3 可以进行硬件电路很难实现的信号处理( 如数字滤波、极性相关处理等其它 统计处理) ，可根据对象的变化和外界的情况改变处理方法，实现智能处理。 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，在智能仪表方面形成了多 微处理器结构的设计方法以及现场总线、p x i 和v x i 总线方向的发展。 在多微处理器连接构成的智能仪表中，各微处理器有统一的目标和各自的分 工任务，有各自的应用程序和时钟、复位电路，带有独立的存储器和i 0 接口。 广而言之，多微处理器系统包括根据特定用途将多个单片机设计安装在单一一块 电路板( 或多板) 上的形式，也包括在通用微机上安置带微处理器的接插件的形 r 上海大学硕士学位论文 式。在多微处理器系统中，各微处理器必须进行通信，交流信息，才能为了一个 统一的目标发挥各自的能力，形成整体的优势。可见，通信是多微处理器系统必 须具备的技术。多微处理器系统与单c p u 系统比较，具有较高的工作速度、便 于设计和修理、较高的可靠性、性能价格比高等优点。 而现场总线是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线的节点是现场仪表 或其他现场设备。现场总线的关键是用于过程自动化和制造自动化，构成现场通 信网络与控制系统的集成。现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪表 代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统代替传统的集散控制系统， 实现现场通信网络与控制系统的集成。它具有信号传输全数字化、系统结构全分 散式、现场设备有互操作性、通信网络全互联式、技术和标准全开放式的特点 1 ”。 因而智能化差压质量流量计的结构和功能可以归结为以下几点： 以微处理器为核，t 3 ，不少硬件可以用软件代替，从而使仪表具有体积小、重 量轻、容易实现模块化等特点。 采用多变量检测技术，并以现场总线通讯协议输出多个测量结果，便于组成 自动测量和控制系统。 实时全参数动态数字补偿技术，实现更高精度和宽量程比。 提高了仪表的适应性，只要改变仪表的软件并将仪表结构进行些相应的修 改，就能很方便的改变仪表的用途。因为软件代替了越来越多的硬件，从而 使装置的价格降低、功耗降低、可靠性提高，可缩短仪表的研制周期【l “。 1 3 4 目前差压质量流量计的产品 国外许多著名的流量计生产厂家都推出了多变量的智能流最变送器。其中以 孔板、喷嘴为测量元件，基于差压p 、温度t 、静压p 三变量测量的代表性的产 品有： h o n e y w e l 公司研制推出的s t 3 0 0 0 系列就是利瑁a s m es t dm f c 一3 m 一1 9 8 9 和 i s 0 5 1 6 7s t d 标准中的公式作为实际应用公式 = n c d ee d 2 j 半 s ， 式中：一单位转换因子；c ，一管道系数；e 一速度近似因子；r 一气体膨胀因子； 上海大学硕士学位论文 d 一孔板直径；p 一流体的密度；一质量流量；p 一差压；，一温度。 分析得出流量系数与p 、7 1 的关系如下：一依赖于流速和雷诺系数，与流 速、肼，有关；屏一与温度t 有关；s 一仅当对象为气体时，与气体的膨胀系数 有关；扣与温度7 1 有关。 s t + 3 0 0 0 对公式中的每个参数进行了精确的分析计算，并对变量进行了连续 的补偿。其中，g 依赖于流速自身，因此对它的补偿是一个连续反复的补偿过程。 它的测量总精确度已经达到了o 1 ，实现了动态质量和体积流量的补偿，并 通过远程通讯器实现了通讯、校准、组态和诊断等智能化特性。 加拿大的塞尔瑟斯公司的v i o f 差压式质量流量变送器采用多变量测量技 术，可同时测量差压压力温度，并且使用v i o f 的标准孔板流量计的系统精度 优于l ，量程比可达1 0 ：1 以上。v i o f 可用于测量液体气体或蒸汽的压力 差压和流量。流量方程式为： 铲南。；扩面 ( 1 6 ) 式中：一质量流量( k g s ) ；c 流出系数；可膨胀性系数；p 一直径比，= d d d 一节流件的孔径，m ；d 上游管道内径，m ；p 一差压，p a ：n 流体密度，k g m 3 。 g l o f 的差压传感器和绝压传感器线性：优于0 0 7 5 ；重复性：优于0 0 5 ； 迟滞性：优于0 0 5 。而它的温度传感器采用p t l 0 0 0 铂电阻。在节流装置参数准 确的情况下，它的测量误差小于o 4 i l 6 , 1 7 , l 8 。 而根据有关分析，国内企业产品总体质量落后于进口产品。其原因在于，自 2 0 世纪9 0 年代初期开始，在高技术含量的自动化仪表及系统、科学测试仪器、 传感器元器件等领域里，参与竞争的主要是引进、合资的产品。在引进、合资、 国产化的过程中，国内企业缺乏对产品关键技术的研究，不能独立地对产品进行 升级换代，重复引进现象严重。目前，国内生产流量计的公司主要有：北京七星 华创电子股份有限公司，上海光华仪表厂，上海华强仪表有限公司，深圳川仪贝 思特自动化设备有限公司等。其主要的差压式质量流量计产品主要有： 中外合资辽阳富士仪表有限公司的h z k lm 系列一体化智能孔板质量流量计 是一种智能型孔板流量计，其测量精度为4 - _ 1 f s 。北京山鑫科贸公司生产的s r 上海大学硕士学位论文 型智能流量计，是以国外先进的流量测量技术为基础，经过多年消化、吸收研制 开发出的一种新型智能流量仪表。s r 型智能流量计是以7 l 板作为一次检测元件， 配以美国罗斯蒙特公司( r o s e m o u n t ) 生产的3 0 5 1 型差压变送器。与之相配套的 t c 2 0 5 流量仪是利用微机技术建立新的数学模型，采用在理论l 可无限接近真值， 减少误差的分段运算法进行运算处理，从根本上解决了传统孔板量程小精度低的 问题。经过国家权威计量机构的检定，s r 型智能流量计系统精度不超过i f s 。 上述事实说明，国产差压质量流量计和国外产品有不小的差距。由于外国的 技术垄断，如何提高测量精度将是目前差压质量流量计测量流量的重要课题。 1 4 课题来源、意义和研究内容 本课题来源于上海市科委重大项目智能差压传感器及其仪表开发( 编号 0 3 d z l l 0 0 1 ) ，该项目主要任务是研制开发适用于工业过程控制的差压压力温 度多参数传感器及智能变送器，并具有h a r t 、d e v i c e n e t 、p r o f i b u s 多种现场总 线功能可供用户选择及质量流量处理的功能。 本科题的研究意义在于：首先，差压质量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。其次，由于节流件 具有结构简单可靠、无可动部件、不怕震动、耐高温低温和其它恶劣条件，具有 一套完整的技术规范和标准，可以测量液体、气体和蒸汽流量等特点，其所占比 例最大。再次，差压质量流量计受电磁、射频干扰是所有流量计中最小的，其抗 干扰能力在质量流量计中也是较强的，加上成本低、结构简单、使用范围很广， 适用于各种液体、气体的测量。最后，是因为国产差压质量流量计和国外产品有 不小的差距，由于外国的技术垄断，如何提高测最精度将是目前差压质量流量计 测量流量的重要课题，有待于我们深入研究解决。 因而本课题的主要研究内容就是依据差压流量测量原理，通过集成多个传感 器分别测量差压、静压和温度参数实现仪表的差压式质量流量测量功能。同时完 成以微处理器为核心的软硬件设计，通过现代信号处理方法和仿真研究，建立质 量流量的数学模型，从而得到精度较高的质量流量计算的可行方法，并进行软件 匕海大学硕士学位论文 的设计与开发。 根据课题的研究内容，论文共分为六章： 第一章介绍了流量测量的一些基本概念及其意义。重点论述了质量流量测量 的几种方法及其所对应的流量计，深入分析了国内外智能差压质量流量计的研究 现状和行业标准情况，并简要介绍了课题的来源和研究内容。 第二章介绍了差压式流量计的结构，即标准孔板和差压变送器的结构原理。 推导了差压式质量流量测量的数学公式，并论述了管道结构参数和流体特性参数 以及温度等对差压质量流量测量的影响，为流量计的实际设计提供了必要的理论 依据。 第三章介绍了系统硬件的设计，具体论述了各器件的原理及选型，以及通讯、 显示、抗干扰等局部电路的设计需要解决的问题，最后完成了p c b 板的整体设计 和电路调试。 第四章研究了以差压、压力、温度为输入的质量流量的建模方法，利用神经 网络方法建立了质量流量的数学模型，并且通过m a t l a b 进行了模型的仿真研 究，从而使质量流量的测量的准确度比传统只采用差压和温度的建模的方法有了 明显的提高：同时比较b p 网络和e l m a n 网络中质量流量建模的优缺点，给出了 相应的仿真对比结果。 第五章沦述了系统的软件设计。主要包括整体结构设计、主程序设计、计算 模块设计、控制功能模块设计等几部份子程序。 第六章是对本课题的些工作总结，初步探讨了今后科研工