（机械电子工程专业论文）脉冲输出式流量计体积修正仪的研发.pdf

浙江人学硕上学何论文摘要 摘要 目前世界范围内管输天然气等气体的贸易结算大都以标准状态下的体积量为准，但流 量计一次仪表测量的均为工作状态下的体积量，不能直接用于结算，为此人们设计了流量 计体积修正仪。流量计体积修正仪是一种流量计二次仪表，它可以在线检测气体的压力、 温度、流量等信号并自动进行压缩因子修正，将工作状况下的体积量转化为标准状况下的 体积量。 本论文旨在研制一种新颖的电池供电体积修正仪。它可与气体涡轮、罗茨、旋进、涡 街、工业皮膜等脉冲输出式流量计配套，通过自带的温度、压力传感器将介质( 天然气、 空气、氧气，氮气、煤气) 的体积量从工作状态转化到标准状态，并提供工控信号输出。 全中文显示、多种通讯方式等复杂的功能。 本文深入研究了体积修正仪工作原理，研究了温度、压力、流量信号的采样与处理， 研究了气体状态转换的实现方法，通过不同的数值处理方法在单片机中实现了自适应f f t 功率谱分析，天然气压缩因子模型a g an x 1 9 方程和s g r g e - 8 8 方程等复杂的数学模型， 保证了仪表高精度的采样转换。 本文为体积修正仪设计了功能全面但功耗极低的外围模块，实现了多功能化与低功耗 的完美结合：全中文显示和四组合按键系统提高了数据显示的直观性与操作的方便性；工 控信号输出系统能够提供电流环、频率报警等多种信号输出，提高了仪表自动化水平； 修正仪内嵌g p r s 、i s m 射频和红外等无线通信模块，可组成多种形式的无线通信网络， 方便与其它二次仪表或计算机系统联网组成网络管理系统；仪表平均功耗仅为0 7 m a ，内 电池供电可正常工作3 年。 论文最后对3 台样机进行了试验研究，对修正仪的温度采样、压力采样、流量计量与 转换以及其他功能模块都进行了试验，确定了样机的性能参数。 关键词：脉冲；流量计；体积修正仪；自适应f f t 功率谱分析；压缩因子；无线通讯 浙；f = 大学硕上学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s , p ip d in eg a st r a d es e t t le m e n tism o s t lyb a s e do nt h ev o lu m eu n d e rs t a n d a r d c o n d i t i o n s b u tt h ev o l u m em e a s u r e db yf l o w r r l d e r si su n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dc a nn o tb e d ir e c t lyu s e df o rs e t t le m e n t ，w h ic hle a d in gt ot h ein v e n t io no fv o lu m ec o r r e c t o r v o lu m e c o r r e c t o risak in do fs e c o n dd e v ic eo ff lo w m e t e r s itc a nd d e c 【p r e s s u r e , t e m p e r a t u r ea n df lo w o ft h em e a s u r e dm e d iaa n dc o r r e c tt h ec o m p r e s s io nf a c t o ra u t o m a t ic a llyino r d e rt ot r a n s f o r m t h e v o l u m e f r o mw o r k i n gc o n d i t i o n si n t os t a n d a r dc o n d i t i o n s t h isd is s e r t a t io nisg o in gt od e v e lo pan o v e lb a t t e r y p o w e r e dv o lu m ec o r r e c t o r t h is c o r r e c t o rc a nb eu s e dw i t ht u r b i n e , r o o t s , & v i r l ，v o r t e x ，d i a p h r a g ma n do t h e rf l o w m e t e r s w h i c ho u t p u tp u l s e i tt r a n s f o r m st h ev o l u m eo fm e a s u r e dm e d i af r o mw o r k i n gc o n d i t i o n si n t o s t a n d a r dc o n d i t io n sw i t hi t sp r e s s u r es e n s o ra n dt e m p e r a t u r es e n s o r ，a n do f f e r sav a r ie t yo f c o m p l e xf u n c t i o n ss u c ha si n d u s t r yc o n t r o ls i g n a j s , f u l l c h i n e s ed i s p l a ya n dal o to f c o m m u n ic a t io nm e t h o d s t h em e d iac a nb em e a s u r e din du d e sn a t u r a lg a s ，a ir ，o x y g e n ，n i t r o g e n a n dc o a lg a s t h isp a p e rh a ss t u d ie dt h ew o r k i n gp r in c ip leo ft h ev o lu m ec o r r e c t o r ，r e s e a r c h e dt h e s a m p l in ga n dp r o c e s s in go fp r e s s u r e , t e m p e r a t u r ea n df lo w ，a n dr e s e a r c h e dt h em e t h o d so f t r a n s f o r m in gg a sc o n d i t i o n s i ts e t su pt h ea d a p t i v ef f tp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i sm o d e la n d c o m p r e s s i o nf a c t o rc o r r e c t i n gm o d u l ea g an x 一1 9a n ds g r g e - 8 8f o r n a t u r eg a sw i t h m ic r o c o n t r o lle rt h r o u g hs o m en u m e r ic a la p p r o a c h ，a n dt h ise n s u r e sah ig h p r e c is io ns a m p lin g a n dc o n v e r s io n t h isc o r r e c t o rp r o v id e sm u lt i - f u n c t io n a lb u tv e r ylo w - p o w e rp e r ip h e r a lm o d u le sw h ic h a c h i e v et h ep e r f e c tc o m b i n a t i o no fm u l t i - f u n c t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ：f u l lc h i n e s e d i a p l a ya n df o u rk e ys y s t e mi m p r o v e st h ev i s i b i l i t yo fd a t as h o w i n ga n dc o n v e n i e n c eo f o p e r a t i o n ；i n d u s t r yc o n t r o ls i g n a l so u t p u t t i n gs y s t e mc a np r o v i d ec u r r e n tl o o p ，f r e q u e n c y ，a l a r m a n do t h e rs ig n a lsw h ic him p r o v et h ea u t o m a t io nle v e lo ft h ec o r r e c t o r ；t h ec o r r e c t o rc a ne a s ily b ec o n n e c t e dt oo t h e rc o r r e c t o r so rc o m p u t e r st of o r mn e t w o r km a n a g e r n e n ts y s t e mt h r o u g ht h e w ir e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sc o m p r i s e do fi t se m b e d d e dg p r s , l s ma n di n f r a r e dw i r e l e s s c o m m u n ic a t io nm o d u le ；t h ea v e r a g ep o w e rc o n s u m p t io nle v e liso n ly0 7 m aa n dt h ein s id e b a t t e r yc a nw o r kf o r3y e a r s 浙j 。1 大学硕上学位论文 a b s t r a c t f in a lly ，t h isp a p e rt e s t st h ep r e s s u r es a m p lin g ，t e m p e r a t u r es a m p lin g ，f lo wm e a s u r e m e n t a n dc o n v e r s io na sw e lla so t h e rf u n c t io n a lm o d u le so ft h r e ep r o t o t y p e sino r d e rt od e t e r m in et h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h e c o r r e c t o r k e y w o r d s ：p u l s e ；f l o w m e t e r s ；v o l u m ec o r r u p t o r ；a d a p t i v ef f tp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ； c o m p r e s s io nf a c t o r ；w i r e le s sc o m m u n ic a t io n v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本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及取得的研究成果。 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，也不包含为获得逝江苤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谢意。 学位论文作者签名： 王峰 签字日期：捌d 年弓月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿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和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王硅 签字日期：2 d 幻年3 月肜日 别醛钮豫 签字日期：纠口年月j 子日 浙江大学硕士学化论文致谢 致谢 值此论文即将付梓之际，谨向两年多来所有关心我学业的老师、同学、朋友和亲人表 达诚挚的谢意。 本论文是在傅新教授和阮晓东教授的悉心指导及热心关怀下才得以完成的。在两年半 的学习生活中，两位老师都给予了极大的支持与帮助，他们渊博的学识，严谨的求是学风 及创新精神深深的影响着我在课题研究工作中的思路与态度，并将对我以后的科研工作产 生更为深远的影响。在此，谨向傅老师和阮老师致以深深谢意和最诚挚的祝福。 在本课题的研究过程中，王驰宇博士后和胡亮博士给予了耐心的指导和无私的帮助， 最终使问题一个个迎刃而解。他们丰富的理论知识、勤奋的学 - - - j 态度、脚踏实地的工作作 风、勇于创新的精神，都给了我深刻的启发。在此，向王驰宇博士后和胡亮博士表示真诚 的感谢。 此外，对课题组陆亮、王利军、申慧敏、张玉良博士生及崔逊波郭丽媛、王海燕、 郑毅、姚伟江、吴君和、刘季霖、强璐莹、张庭荣等硕士生，在研究生期间提供的帮助和 支持表示感谢。 感谢机电2 0 0 7 硕的全体同学给予自己的欢笑、鼓励和帮助。 感谢浙江天信仪表有限公司为自己提供的良好科研环境。 感谢一直以来关心、支持、帮助我的朋友们，使自己能够集中精力与科研工作中。 最后，衷心感谢我的父母，感谢他们多年来对自己的关心和信任。父母的关心让我勇 往直前，不断进步。今天我的论文是送给他们最好的礼物。在此向含辛茹苦的父母表示由 衷的谢意和深深的敬意。 王峰 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙j i ：大学硕上学化论文绪论 l 绪论 1 1 流量测量技术 单位时间内流过明渠横断面或管道横截面的流体量称为流量【1 1 。当流体量以体积表示 时，称为体积流量。流体瞬时流量则简称流速，指流体在某一时刻的流率。流量测量技术 的发展经历了一个漫长的过程，这种对科学史的回顾往往会给我们带来一些启发。 早在1 7 3 8 年，丹尼尔第一伯努利就提出了著名的伯努利方程，并以其为基础利用差 压法测量水的流量；1 7 9 1 年，意大利人文丘里成功使用文丘里管测量流量，并发表了相 关研究成果；1 8 4 0 年，魏斯巴赫在流动分析中大力推广使用伯努利方程并在有关流动损 失、收缩系数等研究上取得了重大突破圆。 2 0 世纪初期到中期，人们在原有的测量理论不断完善的情况下开始探索新的测量原 理，以达到更佳的测量效果【3 1 。首先，美国于1 9 1 0 年开始了槽式流量计的研制，主要用 于明渠中水流量的测量。1 9 1 1 - 1 9 1 2 年，卡门涡街新理论的提出促使了卡门涡街流量计的 研发与使用。1 9 2 2 年，帕歇尔在原文丘里水槽的基础上发明了帕歇尔水槽，提高了槽式 量水器测量的精度。1 9 5 5 年马克森研制了用声循环法测量航空燃料流量的马克森流量计， 标志着声波测量流速方法的实现。而近3 0 年来人们又先后研制并投入使用了几十种新型 流量计，其中包括流体振动式流量计、超声波流量计、电磁流量计、核磁共振流量计、质 量流量计等。 第二次世界大战后发展成为了全球的主题，与温度、压力等同为热工量之一的流量成 为了工农业生产过程控制中的重要测量参数之一【4 】。特别是随着市场经济的发展，流量的 测量显得更为重要，因为各种流体介质，如石油、天然气、煤气等都是重要的能源介质， 只有对它们的准确测量，才能做到“耗能有数、节能有据”阎。 1 2 流量计概述 流量计是用于测量流量的计量器具。i s a ( 美国仪器学会) 给出了目前唯一的可以利 用的流量计标准定义：流量计是在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的 仪表 6 1 。流量计通常由一个一次装置和一个二次仪表组成。 浙江人学硕上学伉论文 绪论 随着工业技术不断进步，流量测量中的流体介质日趋多样化，流量测量精度要求越来 越高，流量计功能要求也越来越复杂。需要测量的介质可能是气体、液体甚至是多相流体。 流体所处环境也是各不相同，可以从低温到高温、从低压到高压，流量范围可以从小流量 到大流量。而且随着智能化、网络化要求的提出，流量测量仪器又应具有实时监控、自动 控制、网络通讯等动能。因此流量测量仪表已经成为工业过程检测控制仪表中品种最为繁 多的一类仪表p j 。 1 2 1 流量计一次装置 流量计的一次装置安装在流体管道的内部或外部，它可以根据流体与存在的一次装置 的相互作用产生一种与流体流量有明确关系的信号。 流量计一次装置的不同是由测量原理不同导致的。人们一般按照测量原理与历史年限 的不同将流量计划分为传统流量计与新技术流量计【8 】。传统流量计是指2 0 世纪初叶之前 的容积式流量计、差压式流量计、插入式流量计等；而2 0 世纪中叶以后所研发的流体振 动式流量计、热式质量流量计、科里奥利质量流量计超声流量计、核磁共振流量计等称 为新技术流量计。 传统流量计经历了较长时间的发展以及技术改进，可以达到很高的计量精度，往往可 以达n + o 5 以内，但是它也存在一定的弊端，例如：压力损失大、可靠性差、流量计寿 命短、量程比小等。 新技术流量计基本都是相关科学技术发展到一定程度之后应用于实际生产场合而产 生的唧。例如：电磁技术的发展产生了电磁流量计，检测和传感技术的发展使质量流量计 的研发成为可能，而超声技术的进步则导致了超声波流量计的问世。新型流量计的测量原 理使得新型流量计具有非接触式、无活动部件、可数字化等特点，而在性能上也可以达到 较高的测量精度，较宽的量程比，并且可靠性高、线性度好、易于维护。新技术流量计是 未来流量计的发展趋势。各种流量计的性能特点如表1 1 f 1 叫所示： 表1 1 各种流量计性能比较 项目涡轮孔板涡街电磁超声波 精确度 111 o 50 5 量程比2 0 ：13 ： 13 0 ：11 0 0 ：13 0 0 ：1 2 浙江人学硕- 上学化论文 绪论 表1 1 各种流量计性能比较( 续) 项目 涡轮 孔板 涡街 电磁超声波 管径范围( m m ) 1 0 5 0 0 5 p 8 0 05 0 - 3 0 02 0 0 0 0 7 5 1 6 0 0 压损较小很大较小较小 无 结垢影响 大大大小大 使用寿命 易磨损长一般长长 1 - 2 - 2 脉冲输出式流量计 虽然流量测量的原理多种多样，但是我们还是可以发现它们之中有一些相同或者相似 的地方：很多测量原理中流速都是与一定的频率信号成正比的，很多流量计一次装置的输 出信号经处理后都可转变为脉冲信号，我们统称这样的流量计为脉冲输出式流量计。容积 式流量计、流体振动式流量计、叶轮式流量计均属于脉冲输出式流量计，脉冲输出式流量 计占有很大的市场份额【1 1 】。我们来看一下这几种流量计的工作原理： 1 2 2 1 容积式流量计 容积式流量计也称为正排量流量计，罗茨流量计、椭圆齿轮式流量计旋转活塞式流 量计等都属于容积式流量计。它通过一个固定容积的容器或设备断续的对流体体积进行度 量，是精度最高的一种流量计。固定的容积空间一般是由仪表内部的运动部件与仪表的壳 体所构成的。当流体流过流量计时，运动部件在进出口压差的作用下运动，将流体一次次 的充满固定的容积空间。容积式流量计的流量可表示为： q 。= n v ( 1 1 ) 式中：q v 代表流量，n 代表单位时间内运动部件运动次数，v 代表运动部件运动一次 流量计流过的流体体积。流量越大相同时间内度量次数越多，即流量的大小与运动部件运 动的频率成正比。容积式流量计的二次仪表以此频率信号来进行流量计算：运动部件每运 动一次流量传感器就会产生一个脉冲信号，二次仪表检测此信号来计算流量并进行总量累 加。 容积式流量计精度高，误差一般为0 5 ，计量精确度不受旋转流和管道阻流件引起 3 浙江入学硕上学位论文绪论 的流速场畸变的影响；量程比宽，可以达到3 0 ：1 ；无安装直管段，对于现场应用有重要 意义。但容积式流量计也有自身的一些缺点，结构复杂，体积庞大一般只适用于中小口径， 大多数只适用于洁净单相流体，易产生噪声和振动饧。 1 2 2 2 流体振动式流量计 在一定流动条件下，流体的一部分动能导致流体振动，并且振动的频率与流量有确定 的关系，这就是流体振动式流量计的工作原理【佃。目前流体振动式流量计产品主要有三类： 涡街流量计、旋进流量计和射流流量计。 1 2 ：2 2 1 涡街流量计 图1 1 卡门涡街原理 涡街流量计是利用卡门涡街原理设计的一种流量计。当一个非流线型阻流体插入管道 中时，阻流体两侧会随着流体的流动产生附面层分离现象，并形成一系列有规则的旋涡列， 称为涡街。卡门通过研究这些有规则的旋涡列发现：涡列只有形成内旋的、相互交替的两 排并且涡列宽度h 与相邻的旋涡间距l 之比为0 2 8 1 时才是稳定的。根据卡门涡街原理， 流体的瞬时体积流量为： 吼：i f ( 1 2 ) 吼2 页- ( 1 ) 式中f 为卡门涡街频率，k 为流量计的仪表系数，可由下式决定： k - 1 ( 署呲( 1 3 ) m 斗筹0 一c 苦m c s i n 争4 ， 浙 1 ：火学硕上学位论文绪论 式中s 代表斯特劳哈尔数；d 为旋涡发生体的特征直径( m m ) ；d 代表管段的内径 ( m m ) 。由式1 3 ，1 4 可知k 只于变量9 、d 、d 有关。由于斯特劳哈尔数在雷诺数在 2 x 1 0 4 7 x 1 0 6 范围内时基本是一个常数，所以流量计的仪表系数k 是仅与流量计结构有关 的常数，即流量计的瞬时流量与卡门旋涡频率成正比。涡街流量计通过测量卡门旋涡频率 来实现流量测量。涡街流量计输出与流量成正比的脉冲信号，适用于流体总量的计量，且 无零点漂移。 1 2 2 2 2 旋进流量计 旋进流量计是根据旋涡进动现象为机理所制作的流量计。旋涡进动现象( 见图1 2 ) 是指当受到约束的旋涡流在通过截面扩大的管道时会产生沿中心轴的进动现象。 旋涡发声体壳体检验元件 图1 2 旋进流量计工作原理 流经旋进流量计的流体在旋涡发生器的作用下强制产生一串旋涡中心沿轴线分布的 旋涡流。在流经收缩段时旋涡流加速，当通过扩散段时旋涡中心沿一锥形螺旋线进动。旋 涡中心的进动频率和流体的平均流速v 成正比关系： f = k v v ( 1 5 ) 瞬时流量的计算公式为： q 。= 三。v = 三。2 去= 6 ， 式中d 指管道的内径( m m ) ；k v 为比例常数；k 为旋进流量计的仪表系数，其仅与 流量计结构参数有关。旋进流量计通过压力传感器检测旋涡进动的频率，产生与流量成正 比的脉冲信号供给二次仪表进行流量计量。旋进流量计可用来测量气体和液体，在线性测 浙江人学硕士学位论文绪论 量范围内仪表性能不会受流体状态参数或测量介质的影响，应用十分广泛。 1 2 2 3 叶轮式流量计 叶轮式流量计属于速度式流量计，其主要品种是涡轮流量计。涡轮流量计以动量矩平 衡原理为基础：当流体流经涡轮流量传感器时流体会冲击涡轮叶片使涡轮旋转，涡轮转速 与流量成正比，可以测出单位时间内的转数来计算流量。涡轮流量计瞬时流量由下式计算： f q v = 万i ( 1 7 ) r 式中f 为涡轮叶片转动的频率；k 为仪表系数，在涡轮流量计使用范围内为一常数。 涡轮流量计一次仪表也产生与流量成正比的脉冲信号。涡轮流量计计量精度高，可以到 0 5 级；测量范围宽，可以做到2 0 ：1 甚至更高，o 尺寸小，重量；轻易安装，易维修。涡 轮流量计一般在天然气工业中被广泛应用。 1 2 3 流量计二次仪表 流量计的二次仪表是能对一次装置发来的信号做出反应，将它计算为流量或总量并能 直观显示出来的仪表。 二次仪表可以分为两种：机械式和数字式。流量计量仪器刚刚出现时只有机械式二次 仪表。随着流量计量技术与电力电子技术的发展，数字式二次仪表出现并得到了广泛应用。 特别是随着新技术流量计的出现，而新技术流量计多使用数字式二次仪表甚至有的只能配 合数字式才能正常工作，机械式二次仪表已不能发挥原先作用逐渐退出了历史舞台。近几 年流量计的二次仪表得到了进一步的发展，出现了智能化的二次仪表。智能化二次仪表就 是在原先数字式二次仪表的基础上添加了修正、记录、输出、通讯等多种功能，使得流量 计性能得到了进一步的提升【1 4 1 。智能化的二次仪表已经成为了流量计二次仪表发展的方 向，其与机械式二次仪表相比有如下的优点【1 司： ( 1 ) 智能化二次仪表能够实现高精确度和宽流量范围内的误差补偿。它利用精确的 标定结果，再现仪表实际特性曲线。通过该曲线可以对不同流量点进行实时修正，使得进 一步提高流量计精确度或扩大量程成为可能。 ( 2 ) 智能化二次仪表可按实际工况条件对参数进行设置、修改、存储，无须停机非 常方便，加之设置密码可确保安全。 ( 3 ) 智能化二次仪表更加符合小型化、轻量化的发展方向，它的体积只有机械式的 6 浙汀大学硕上学位论文绪论 1 2 1 4 ，重量相比机械式减轻了5 0 以上。 ( 4 ) 智能化二次仪表还有很大的发展余地，例如：增加标定点数可进一步提高测量 精度；可实现4 2 0 m a 电流、0 2 0 0 0 h z 频率等工控信号输出；可增加现场总线功能。 拓宽无线收发功能，方便进入网络系统；增加和实现温度压力补偿比机械式二次仪表方便。 1 2 4 流量计体积修正仪 目前世界范围内管输天然气等气体的贸易结算大都以标准状态下的体积为主，但一般 流量计一次仪表测量的均为工作状态下的流量，为了满足贸易结算的需求人们设计了流量 计体积修正仪产品1 1 6 1 。体积修正仪是这样一种流量计二次仪表，它可以在线检测气体的流 量、压力，温度等信号并自动进行压缩因子修正，将工作状况( 简称工况) 下的体积量转 化为标准状况( 简称标况) 下的体积量。体积修正仪一般工作原理如下【17 1 ： ( 1 ) 在线检测压力、温度等信号，并使用内置压缩因子模型计算气体压缩因子。 ( 2 ) 测量流量传感器产生的流量信号，根据流量计出厂标定曲线对测量流量进行误 差修正。 ( 3 ) 通过气体状态方程将工况流量转化为标况流量，并进行总量累加，直接显示计 算结果用于贸易计量。 目前国内的生产体积修正仪主要有f c m 型、f c - i i 型等体积修正仪。f c m 型f c - i i 型体积修正仪是为与气体涡轮、罗茨、旋进、涡街、工业皮膜表等带脉冲信号输出的气体 流量计配套而设计生产的智能化二次仪表，集温度传感器、压力传感器于一体，带就地压 力和温度检测显示，可将流量计的工况体积流量和总量直接转化到标准状态下的体积流量 和总量。 国外的德国埃尔斯特埃默科集团研制的e k 8 7 ，e k 一8 8 k ，e k 9 0 k ，e k 2 1 0 ，e k 2 3 0 和e k 2 6 0 等型号一系列体积修正仪，能方便的与涡轮流量计、腰轮流量计、膜式煤气表 配套，可以对气体的体积进行精确修正。修正仪采集来自气体流量仪表的脉冲信号，根据 设定的脉冲当量计算出未经修正的工况体积，再根据测得的压力、温度以及自动计算或设 定的压缩因子计算标准体积。另外，各型修正仪均具有数据存储功能，除可存储工况体积、 标准体积外，还可存储压力和温度等数据。存储的数据可方便的取出，并可通过软件包作 进一步处理。 虽然市场上修正仪型号众多，但它们都具有不足之处，还有很多地方需要完善【1 明： 7 浙；1 ：大学硕j ：学他论文绪论 ( 1 ) 多采用断码式液晶，设置界面采用符号助记，设置不方便，不直观。 ( 2 ) 没有气体选择项，多种气体采用一种模型进行修正。 ( 3 ) 功能不完善，有的没有工控信号的输出，有的没有数据记录功能，均不具有嵌 入式g p r s 、i s m 通信功能，需采用外配附件才能实现无线通信。 随着我国工业化的进程，流体的贸易计量对流量仪表的精度、稳定性、可靠性要求越 来越高，并要求流量仪表实现数字化、网络化和多功能化，以满足管理需要和效率要求【1 9 1 。 体积修正仪也要适应时代的发展，在现有基础上不断完善自己。经过对市场上体积修正仪 产品的研究、查阅大量的相关资料，体积修正仪产品将朝如下方面发展【2 四： ( 1 ) 体积修正仪应采用高精度的检测传感器，提高计量的精度。如高精度的温度、 压力、流量传感器等。 ( 2 ) 体积修正仪产品将进一步的智能化，提供完善的工业控制信号，提高自动化水 平，并可以对流量计量的各个环节进行动态、科学的管理。 ( 3 ) 随着通讯水平的提高，体积修正仪将形成信号输出的统一协议，提高不同厂家 产品的兼容性；可以方便的接入现场总线，满足网络化，系统化要求。 1 3 课题研究内容和意义 1 3 1 课题研究内容 本课题旨在研制一种新颖的可电池供电的流量计体积修正仪，属于流量计二次仪表开 发，此修正仪拥有以下多种功能： ( 1 ) 可以和各种带脉冲输出的流量计或流量传感器配套，根据所选择的介质自动进 行温度、压力和压缩因子修正，将工况体积流量转化为标况体积流量并进行总量累加。 ( 2 ) 显示方式为全中文菜单显示，采用点阵液晶屏可显示标况总量、标况流量、工 况总量、工况流量，介质的温度、压力等参数。 ( 3 ) 提供起停记录、日记录、定时间间隔记录三种可选择的数据记录方式。 ( 4 ) 可输出多种工控信号： 1 ) 脉冲信号：可设置为工况脉冲信号、0 2 0 0 0 h z 脉冲信号、定标脉冲信号三种。 2 ) 电流环：4 - 2 0 m a 电流环，可选择设置成与标准流量、工况流量、温度或压力成 正比，包括两线制和三线制两种。 8 浙 下大学硕上学位论文 绪论 3 ) 报警信号：可设置为上下限报警和欠压、关阀报警两种。上下限报警可选择工况 流量、标况流量温度，压力四个物理量为报警对象。欠压、关阀报警用于i c 卡控制流 量计。 ( 5 ) 拥有r s 4 8 5 ，i s m ( 无线) 、红外、g p r s g s m 等多种通讯方式，支持数据和设 置参数的上传与下载。 ( 6 ) 除去工控信号输出外的其余功能都应在电池供电的条件下正常运行。 本课题研究和设计的内容大致包括以下几点：1 ) 信号检测、处理与计算。2 ) 体积修 正仪数学模型在单片机中的建立。3 ) 各功能模块硬件设计。4 ) 各功能模块软件设计。5 ) 实验验证各项功能是否正常。 1 3 2 课题重点与难点 难点之一：流体振动式流量计的信号处理。流体振动式流量计的测量原理导致其很容 易受到外界环境中振动和噪声信号的影响，特别是流量较小时这种影响就显得格外明显， 这也是涡街流量计等测量下限不能做的很低的原因。在设计过程中，我们提出了一种自适 应的f f t 功率谱信号分析方法来进行信号处理。此方法可根据流量信号的大体频率范围选 择合适的采样频率进行f f t 功率谱分析并提取出准确的信号频率。经试验验证该方法可以 有效降低涡街流量计等的计量下限，拓宽流量计计量范围。 难点之二：低功耗，使用电池供电。由于修正仪采用电池供电，要保证修正仪能凭内 电池供电长期运行就必须降低其功耗。因此在硬件设计时均采用低功耗器件，如低功耗微 处理器m s p 4 3 0 f 2 4 1 8 、低功耗仪表放大器等。在软件设计时温度和压力传感器采用周期 性瞬间供电采样方式、l c d 时间控制显示、运行功耗较大的g p r s 通信模块和i s m 射频 模块采用定时开启关闭和无线唤醒技术等来降低功耗。经测试与计算，整机平均工作电流 为0 ，7r n a ，内置电池组可工作三年以上。 难点之三：修正数学模型在单片机中的建立。一般来说低功耗单片机由于运行速度问 题只能处理一些较为简单的数学模型，如常规的加、减乘、除等运算。但在本课题中计 算数学模型复杂，若采用常规方法单片机是不能完成的，必须寻找模型在单片机中实现的 方法。设计过程中我们对不同的数学模型采用了不同的数值计算方法：对水蒸汽热力学性 质模型i a p w s - i f 9 7 和天然气压缩因子模型a n an x 一1 9 等含有复杂幂函数但自变量个数 不超过2 ( 或经过变换后不超过2 ) 的计算均采用由变量查表与线性插值的办法；对天然 9 浙j 1 = 人学硕上学化论文绪论 气压缩因子模型s g e r g - 8 8 等含有多个自变量且需要循环迭代的复杂计算，对计算顺序进 行了重组和优化，且所有中间变量只在改变时重新计算，最大限度的减少了计算量；对模 型中的的开方和开三次方计算，采用牛顿迭代法，精度高于百万分之一，运行效率也显著 提高。 1 3 3 课题研究意义 本课题设计的体积修正仪克服了市场上产品的缺点与不足，适用于气体涡轮罗茨、 旋进、涡街、工业皮膜等多种流量计，提高了体积修正仪产品的互换性能；针对不同的被 测介质可按相应的数学模型将工况体积流量和总量直接转化为标况体积流量和总量，数学 模型涵盖天然气、空气、氧气、氮气、煤气等多种介质，并提供n x 一1 9 和s g e r g - 8 8 两 种可选择的天然气压缩因子模型，保证天然气等可压缩气体贸易计量精度；采用全中文点 阵式液晶屏，参数设置方便，显示直观；提供4 2 0 m a 电流环、0 - , 2 0 0 0 h z 频率、报警等 多种工控信号，提高了仪表的自动化水品；提供r s 4 8 5 、红外、i s m ( 无线) 、g p r s 、g s m 等多种通讯方式，数据、设置参数等可上传下载，方便用户管理；功能强大却功耗极低可 用于电池供电等野外工作环境。 该体积修正仪技术含量高，综合功能强，设计思路新颖，在产品综合性能方面领先于 国内同类产品，可接近或达到国际先进水平，数字化和网络化水平优于国际同类先进水平。 1 4 本章小结 本章结合流量计的发展与现状着重介绍了典型脉冲输出式流量计的工作原理以及流 量计体积修正仪的现状与研究的意义。本章还对本课题设计的体积修正仪的设计研究内容 做了重点介绍，并详细说明了课题研究过程中的重点与难点，总体概括了后面各章节的内 容。 1 0 浙江人学硕士学位论文信号检测与处理 2 信号检测与处理 信号检测与处理对于整个修正仪系统具有重要的意义，因为只有在保证了信号采样精 度的前提下修正仪的其他后续功能，如流量的工标况转换、工控信号输出、仪表采样数据 记录等才有实施的意义。修正仪需要采样与处理的信号包括压力信号、温度信号和流量信 号三种。 2 1 温度、压力取样电路设计 采用恒流基准源或者恒压基准源作为传感器的激励源是在取样电路设计中保证取样 信号准确性的常用做法【2 1 1 。恒流基准源能够供给取样电路恒定的激励电流，使电路的输出 值与实际值存在一定的线性关系，但是它一般需要较高的电源电压，静态功耗极大，对于 使用电池供电的修正仪来说难以正常工作【翻。所以只有使用恒压基准源设计的取样电路才 能满足修正仪功耗的要求【翻。 在采样过程中采样电路的取样时间必须很短( 几十毫秒) 才能到达电池使用年限的要 求。但由于电压基础元件输出的电压是随着时间慢慢上升的，它在供电开始的l o o m s 内很 难达到稳定状态，所以不能采用控制开启电压基准的方式来为传感器供电【2 4 1 。我们通过分 析和试验验证，设计出了低功耗电压基准长期开启并配合4 选1 电子开关控制传感器供电 的采样电路，见图2 1 。 图2 1 温度压力采样电路 1 1 浙门：人学硕上。i ；乏位论文信n j 检测与处理 图中传感器供电电压v x 来自电压基准芯片l t c l 7 9 8 ，其静态功耗很低( 小于1 0 u a ) ， 即使长期工作也不会产生太大功耗。到达温度、压力采样时间时软件系统会控制电子开关 打开为相应的传感器供电并通过p c t 端口控制仪表放大器开启。然后软件控制选择相应 的信号作为仪表放大器的输入信号，放大后产生模拟信号a d i n 。最后单片机将a d i n 端 口输入的信号经a i d 转换后计算出相应的温度和压力值，计算过程见本章2 ，3 节。整个 温度、压力采样计算完毕后电子开关又由软件控制恢复到不为任何传感器供电的状态。通 过这种控制方法不但能够精确采样温度、压力信号，而且保证了仪表的功耗水平。 2 2 压力检测与计算 由压力、温度的采样电路可以看出，压力检测回路由压力传感器电桥、4 选1 电子开 关、仪表放大器。和单片机的a i d 转换模块组成。我们选用的压力传感器为k e l l e r 公司的 5 线制压力传感器，根据其特性：压力与压力电桥输出电压之间存在如下的线性关系： v p 3 _ p 2 o cp ( 2 1 ) 由图2 1 可知： 竖：v p a m p ( 2 2 )厶， v 。6v o ，a m p ! ! 兰2 1 ：v p _ a d * v e f a d n 俄：坚_ ( 2 3 )二-二一：=：二=一 iz ， v 。6v oa 0 卑a d 慨v 。a o 式中：v 孓p 2 为压力电桥的输出电压； v 音为压力电桥的输出电压经仪表放大器放大后的输出值； v 音a d 为压力电桥输出电压放大值的a i d 转换值； v 晶为压力取样电阻r p 上的电压； v o 为压力取样电阻上电压经过仪表放大器放大后的输出值； v 6a d 为压力取样电阻电压放大值的a i d 转换值； v r e f 为进行a i d 转换的电压基准，采用m s p 4 3 0 内部2 5 v 基准电压； a d 惴为a i d 转换器的最大数字转换量，m s p 4 3 0 内部1 2 位a i d 转换器为4 0 9 6 。 a m p 为仪表放大器的放大倍数。 电路中选用的仪表放大器为i n a l 2 2 p ，其增益计算公式如下： 1 2 浙汀大学硕上学何论文信号检测与处理 a m p = 5 - t 鼍笋( 2 - 4 ) 本修正仪在设计过程中选用了r g = 1 0 k q ，所以a m p = 2 5 。 系统中选用的压力传感器为恒流激励的压力传感器，但实际应用中传感器采用的却是 恒压激励的供电方式，因此在采样过程中要考虑激励电流的变化，需要对其进行修正。压 力修正以调试状态时的激励电流为依据，修正后的压力电桥输出电压为： = 等忙游5 ， 式中：v o a 为调试状态时取样电阻r p 上电压经仪表放大器放大后的输出值； v 酝为修正后的压力电桥输出电压经仪表放大器放大后的输出值。 系统设计过程中我们考虑了压力传感器的- - 1 1 ：线性，在压力传感器量程范围内进行了5 段非线性修正以提高采样的精度。在调试时需要使用标准的压力仪表对传感器进行标定， 以得到如下的传感器输入输出特性曲线。 u o u 1u 2u 3u 42 5 0 0 电压( m v ： 图2 2 压力传感器输入输出特性曲线 根据上图可知，传感器输入输出特性曲线上的压力值p ( 位于第i 1 与第i 点之间) 应满足下式： 乒阜：旦二鱼( 2 6 ) 一= o 、z o ， v p a v i 一1v i - v i 一1 p = 而p i - p i - 1 ( 毪坛* 1 ) + ( 2 7 ) 整个压力采样与计算的软件流程图见图2 3 。 1 3 助酝巳巳巳巳r e 浙j r 大学硕上学位论文信n 检测与处理 力计算开砂 初始化, a d d 模块 为压力传感器供电 测量压力采样 电阻电压1 6 次 测量压力传感器 电楱电压16 次 汁算并修正压力值 电子开关恢复 初始状态 力采样结矽 度计算开砂 初始化a d 模块 为温度传感器供电 测量温度采样 电阻电压1 6 次 测量温度传感器 电压1 6 次 计算温度值 0 电子开关恢复 初始状态 咚度采样结秒 图2 3 压力采样与计算流程图图2 4 温度采样与计算流程图 2 3 温度检测与计算 在温度测量中，我们选用了p t l o o 作为温度传感器。p t l o o 利用金属铂自身电阻值随 温度变化而改变的特性来测量温度，它测量温度范围大、测量准确度高、复现性与稳定性 好，且应用简单方便，适宜于本系统的开发。整个温度采样与计算的流程与压力采样基本 相同，见流程图2 4 。下面简要介绍一下本修正仪温度值的计算方法： p t l 0 0 电阻值与温度之间的关系可用下式表示： 当一2 0 0 。c t 0 。c 时：r = r d 【1 + a t + b t 2 + c ( t 一1 0 0 ) ts 】( 2 8 ) 当0 。c t 8 5 0 。c 时：r 【= r o ( 1 + a t + b t 2 ) ( 2 9 ) 式中：r 旷旬时的铂电阻阻值； r 一时的