（电气工程专业论文）智能气体流量检测系统设计与应用.pdf

! ，- 原创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：丕塑塑整日期：2 旦! q 年兰月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它于段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信，i , i i 务。 作者签名：至强刍强导师签名纽日期：业年互月直曰 、 硕士学位论文摘要 摘要 随着我国铁路机车逐步趋于高速化，机车运行速度越来越快，机车 在高速运行时，气流对机车通风口、运行阻力等的影响会发生很大的变 化，准确实时地检测机车运行通风量对高速列车的发展有极高的研究意 义。 对于我国自行研制的运营速度超过2 0 0 k m h 的高速列车，作为机车 动力核心的牵引电机，其性能与运行可靠与否直接决定了整车性能。其 中冷却通风是影响牵引电机使用性能的因素之一，其温升试验是一个 很重要的内容。牵引电机温升试验不仅可以检查电机制造和装配的工艺 质量，而且对核定牵引电机的小时定额和连续定额是否合乎设计要求 是一个不可缺少的关键环节。目前我国机车上仍广泛地采用具有强迫通 风的牵引电机，其连续定额功率在很大程度上依赖于通风冷却的效果。 所以说，精确有效地量取通风量显得尤为重要。 传统的风量检测方法存在一些不足的地方，当前国内牵引电机通风 试验风量测定装置是用l 型毕托管根据等面积环多点测量流速的原理 进行测量的。这样做不但耗时，而且由于人工读数精度不高。受安装位 置及管道布局形状、尺寸的限制，原有一些测试方法不能满足风机流量 测量标准的要求，因此，此本文提出了一种适合牵引电机风量检测的智 能匀速管流量检测系统。 本文首先深入研究了匀速管流量检测的工作原理，本文理论分析的 重点在于匀速管的检测杆截面选形及其数学模型。在综合分析国内外流 量检测的现状和类似先进产品的基础上，通过对经典和现代各种检测方 式的系统研究，分析总结各种方法的利弊。提出新型匀速管检测系统的 总体设计方案。 本文针对变送器系统进行了软硬件设计。硬件部分设计了传感器， a d c 模块，微处理器数字信号处理部分的核心芯片采用t i 公司的 m s p 4 3 0 。完成了系统软件设计，文中给出了系统的程序框图。最后进 行了系统测试，对实验结果进行分析。实验证明本文设计的新型匀速管 流量检测系统性能良好，达到了设计要求。 关键词风量检测，匀速管，数学模型，变送器 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a sc h i n a g r a d u a l l y b e c o m e h i g h s p e e dr a i l w a yl o c o m o t i v e s ， l o c o m o t i v er u n n i n gf a s t e ra n df a s t e r , l o c o m o t i v e sr u n n i n ga th i g hs p e e d ，t h e a i rv e n to nt h el o c o m o t i v e ，r u n n i n gr e s i s t a n c et ot h ee f f e c t so fm a j o r c h a n g e sw i l lo c c u r ，a c c u r a t er e a l t i m ed e t e c t i o no fl o c o m o t i v ea i rc o n t e n t o nt h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dt r a i n so fh i g hs i g n i f i c a n c e f o ro u rs e l f - d e v e l o p e do p e r a t i n gs p e e do v e r2 0 0 k m hh i g hs p e e dt r a i n ， a st h ec o r eo fl o c o m o t i v et r a c t i o nm o t o rp o w e r , p e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n o fav e h i c l ed i r e c t l yd e t e r m i n e st h er e l i a b i l i t yo fp e r f o r m a n c e w h i c ha f f e c t t h et r a c t i o nm o t o r c o o l i n gv e n t i l a t i o np e r f o r m a n c ei so n eo ft h ef a c t o r s ，t h e t e m p e r a t u r er i s et e s ti sav e r yi m p o r t a n te l e m e n t t r a c t i o nm o t o rt e m p e r a t u r e r i s et e s tc a nn o to n l yc h e c kt h em o t o rm a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l yp r o c e s s q u a li t y , a n dt r a c t i o nm o t o r o nt h ea p p r o v e dh o u r so fc o n t i n u o u sf i x e dq u o t a s a n dw h e t h e ri ti sa ne s s e n t i a ld e s i g nr e q u i r e m e n ti st h ek e yl i n k a tp r e s e n t ， c h i n ai ss t i l lw i d e l yu s e dl o c o m o t i v ew i t hf o r c e dv e n t i l a t i o no ft h et r a c t i o n m o t o r , t h ec o n t i n u o u sp o w e rr a t i n gt oal a r g ee x t e n td e p e n d e n to nt h e v e n t i l a t i o na n dc o o l i n ge f f e c t t h e r e f o r e ，t om e a s u r ea c c u r a t e l yt h ee f f e c t i v e v e n t i l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fa i rf l o wm e a s u r e m e n tt h e r ea r es o m e d e f i c i e n c i e si nt h ec u r r e n td o m e s t i ct r a c t i o nm o t o rv e n t i l a t i o na i rf l o wt e s t d e v i c ef o rt e s t i n gi st ou s el - p i t o tr i n gu n d e rt h ee q u a l - - a r e am u l t i - - p o i n t m e a s u r e m e n to fv e l o c i t ym e a s u r e m e n tp r i n c i p l e t h i si sn o t o n l yt i m e c o n s u m i n g ，a n db e c a u s ea r t i f i c i a lr e a d i n ga c c u r a c y i sn o th i g h b yt h e i n s t a l l a t i o nl o c a t i o na n dp i p i n gl a y o u ts h a p e ，s i z er e s t r i c t i o n s ，t h eo r i g i n a l s o m et e s tm e t h o d sc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e ds t a n d a r d b l o w e rf l o w m e a s u r e m e n t ，t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas h i g et r a c t i o nm o t o rw i n d m e a s u r i n go fs m a r tu n i f o r mg u a nf l o wm e a s u r i n gs y s t e m f i r s t l y , i n d e p t hs t u d yo ft h eu n i f o r mp i p ef l o wm e a s u r i n gt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o c u s e so nt h ed e t e c t i o nr o do fu n if o r m c r o s s s e c t i o nt u b es h a p ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t i o n d e t e c t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es t a t u so ft r a f f i ca n ds i m i l a r p r o d u c t sb a s e do na d v a n c e dt h r o u g hav a r i e t yo fc l a s s i c a la n dm o d e m m e t h o d so fs y s t e mt e s t i n g ，a n a l y z ea n ds u m m a r i z et h ep r o sa n dc o n so f v a r i o u sm e t h o d s p i p ei n s p e c t i o ns y s t e mp r o p o s e dn e wu n i f o r md e s i g n p r o je c t t h i st r a n s m i t t e rs y s t e mf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n h a r d w a r e d e s i g no ft h es e n s o r , a d cm o d u l e ，t h em i c r o p r o c e s s o rc o r eo fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc h i pi st i sm s p 4 30 c o m p l e t i o no f t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ， t h ep a p e rg i v e st h es y s t e mb l o c kd ia g r a m f i n a l l y ，t h es y s t e mt e s t sa n d r e s u l t sa n a l y s i s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h en e wu n i f o r mp i p e f l o wd e t e c t i o ns y s t e mi sw e l lm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d sa i rf l o wt e s t i n g ，u n i f o r mm a n a g e m e n t ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，t h et r a n s m i t t e r 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 课题的来源l 1 1 2 设计的背景1 1 2 流量检测! 3 1 2 1 气体流量检测：3 1 2 2 各种方法的比较5 1 3 匀速管流量检测的研究现状、关键技术原理及研究意义7 1 3 1 国内外研究现状和关键技术原理7 1 3 2 研究意义8 1 4 本文的主要工作8 第二章匀速管流量检测的原理及结构1 0 2 1 引言1 0 2 2 工作特点1 1 2 3 工作原理1 2 2 3 1 充分发展管流的速度方程1 2 2 3 2 管道中的平均流速点1 3 2 3 3 速度面积法15 2 3 4 匀速管检测的测量原理1 5 2 3 5 检测杆截面形状16 2 3 6 总压检测孔的位置及数目1 7 2 3 7 总压检测孔的孔径及形状1 8 2 3 8 匀速管内部的流动1 9 2 4 本章小结：2 0 第三章新型匀速管流量检测系统的研究设计2 1 3 1 引言2 1 3 2 新型匀速管结构的研究设计2 1 3 2 1 检测杆截面形状的选取2 1 3 2 2 防淤槽的位置选择2 2 3 2 3 新型匀速管的全压孔开孔位置的计算2 2 3 2 4 新型匀速管的全压检测孔的孔径2 3 3 3 新型匀速管的数学模型2 4 3 3 1 伯努利方程2 4 3 3 2 匀速管的基本计算公式2 6 3 4 新型匀速管流量检测工作原理2 7 3 5 本章小结2 8 第四章智能变送器的设计一2 9 4 1 系统概述一2 9 4 2 压力传感器的选型2 9 4 2 1 压电式压力传感器3 0 4 2 2 金属应变片式压阻传感器3 0 4 2 3 半导体压阻式传感器3 1 4 2 4 电感式压力传感器31 4 2 5 电容式压力传感器j 3 1 4 3 变送器硬件设计3 2 4 3 1 信号调理电路3 2 4 3 2 微控制器芯片的选型及性能3 5 4 3 3 微控制器在变送器中的应用与连接3 6 4 4 微控制器软件设计3 6 4 4 1 软件设计思路3 7 4 4 2 系统初始化3 8 4 4 3 非线性自校正3 8 4 4 4 校零、调满与校准3 9 4 4 5 数字滤波4 0 4 5 本章小结4 l 第五章电磁兼容设计一4 2 5 1 电磁干扰及特性4 2 5 1 1 电磁干扰源：4 2 5 1 2 干扰的祸合途径4 2 5 1 3 敏感设备4 3 5 2 屏蔽设计4 4 5 2 1 屏蔽技术4 4 5 3 滤波电路设计一4 5 5 3 1e m i 共模与差模信号干扰4 5 5 3 2 基本原理及特性指标4 6 t i 5 3 3 滤波器与滤波效率问题4 8 5 3 4 输入输出e m i 滤波器设计4 9 5 3 5 信号隔离器5 2 5 4 本章小结5 4 第六章实验结果5 5 6 1 测试结果5 5 6 2 风速测试系统5 6 第七章总结与展望5 8 7 1 本文工作总结5 8 7 2 展望5 8 参考文献6 0 致谢6 3 攻读硕士期间发表的论文及科研情况6 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 课题的来源 第一章绪论弟一早珀t 匕 、 现今我国铁路机车逐步趋于高速化，机车在高速运行时，气流对机车通风口、 运行阻力等的影响会发生很大的变化，准确实时地检测机车运行通风量对高速列车 的发展有极高的研究意义。 对于我国自行研制的运营速度超过2 0 0 k m h 的高速列车，随着列车速度增加， 列车表面负压加大，导致新风难以从布置在动力车车体表面的风道入口处进入车 内。此时，风机所需压头增加，流量减少，情况严重时，将会因散热j x l 量不足而引 起过热损坏。因此必须实时检测列车运行过程中风量冷却随列车运行速度的变化规 律，以考核机车性能是否满足运行要求。 牵引电机作为机车的动力核心，其性能与运行可靠与否直接决定了整车性能。 其中冷却通风是影响牵引电机使用性能的因素之一，其温升试验是一个很重要的 内容。目前我国机车上仍广泛地采用具有强迫通风的牵引电机，其连续定额功率在 很大程度上依赖于通风冷却的效果。所以说，精确有效地量取通风量显得尤为重要。 在牵引电机通风量测量相关的国家标准和铁路行业标准中，只规定静态下采用 皮托管方式测量牵引电机的通风量。 就是在这样的形势下，再加上受风机安装位置及风机前后管道形状、尺寸的限 制，原有一些测试方法不能满足风机流量测量标准的要求【l j ，因此，必须提出适合 实车测量风量的方法。 1 1 2 设计的背景 中国南车株洲电力机车研究所有限公司是我国规模较大的轨道交通电传动装 备专业研究单位，其检测中心承担我国主要轨道交通电传动装备的试验任务，牵引 电机试验台是其中重要的检测设备，温升试验是牵引电机试验的重要组成。 牵引电机的温升试验在i e c6 11 3 3 、e n 5 0 2 1 5 、j i s 4 0 4 1 1 9 9 9 以及g b 3 3 1 8 等相关 标准都明确规定作为型式试验进行。温升试验是用以验证牵引设备在设计温升限值 内按规定的负载周期运行的能力，是考核机车功率容量的一个关键指标。动车组牵 引电机的温升试验过程中持续速度高，持续工况难以控制，温升平衡条件难以评价， 也是试验必须解决的颈瓶问题。 电机等温升部件的负载周期的时间不可能是无限长，应当是其从冷态开始工 硕十学位论文 第一章绪论 作，直至达到热平衡、温升稳定的周期时间。当温升稳定时，温升值已达饱和，不 会随着时i 、日j 的增加而增加。电机温升平衡与否，是结束温升试验的标志，对试验结 果会产生决定性影响。如果温升尚未平衡就进行测量，测量结果必然偏小，反映不 了真实情况。因此在国内、国际标准，都对此有特定的要求： ( 1 ) ( ( i e c3 4 9 2 电力牵引一铁路机车车辆和公路车辆用旋转电机6 1 1 规定温升试 验在持续工况至少持续运行2 h 或者由合适的方法表明达到热平衡，并将稳定温度定 义为在试验的最后1h 内温升的变化小于2k 。 ( 2 ) ( ( i e c1 3 7 7 电力牵引一机车车辆一逆变器供电的交流电动机及其控制系统的综 合试验标准规定温升试验在持续工况至少持续运行2h 或者达到热平衡，这参考了 i e c3 4 9 2 。 ( 3 ) t b t2 5 1 9 1 9 9 5 电力机车牵引电动机装车后的温升试验方法规定电力机车 持续工况运行3 5 - 一4 h 后，直至温升达到稳定状态。 由于试验中要满足这些标准，所以对试验中的通风量有严格的要求。 牵引电机温升试验不仅可以检查电机制造和装配的工艺质量，而且对核定牵 引电机的小时定额和连续定额是否合乎设计要求是一个不可缺少的关键环节。目前 我国机车上仍广泛地采用具有强迫通风的牵引电机，其连续定额功率在很大程度 上依赖于通风冷却的效果。电机的通风量应在额定情况下进行温升试验。所以说， 精确有效地量取通风量显得尤为重要。 本设计是应中国南车株洲电力机车研究所有限公司检测中心的要求设计一套 能适应管径达4 0 0 m m 测量风速更是高达1 6 - - 5 0 m s 的智能气体流量检测系统。 圆形管道进口的管径为4 0 0 m m ，管道分为两段弯管，为便于安装每节连接处用 橡胶管连接，并用卡环固定。出口为一上圆下方的变截面收缩管道，通过连接管道 将冷却空气引至试验台的牵引电机进行冷却。每段弯管设3 个测试点。管道布局与 测试点位置图如下图所示： 2 图卜lq t 一1 型气体流量检测系统管道布局及测试点位置图 由于在试验中复杂的牵引工况，中国南车株洲电力机车研究所有限公司检测中 2 硕士学位论文第一章绪论 心为保证设备的可互换性和一致性，要求6 台工作于不同区间的通风量检测装置具 有同样的技术参数。因此，对通风量检测装置的设计提出了更苛刻的要求。 当前国内牵引电机通风试验风量测定装置是用l 型毕托管根据等面积环多点测 量流速的原理进行风量测试。一般情况下需要首先确定管的方位，再就是利用液位 计读取压差，这至少要用三名工作人员。即便是被试电机工况不变，要使的通风量 达到额定值熟练操作人员仍需反复调整和测定。这样做不仅耗时，而且人工读数精 度不高，更无法做到在试验全过程中当风量变化、被试电机工况改变的情况下，仍 能使通风量满足要求【2 】。因此，本项目开展了牵引电机通风风量检测的研究与制造 工作。 1 2 流量检测 流量检测方式多种多样，无论何种方式，其核心目标都是为了提高测量精度和 可靠性。本章主要是研究气体流量检测，探讨了常用的几种气体流量检测方式：气 体涡轮流量检测、超声波气体流量检测、容积式流量检测、热式质量流量检测、均 速管流量检测【3 1 等。通过各种方法的对比，引出本文所要研究的方法。 1 2 1 气体流量检测 气体，可作为能源存在的一种形态( 如煤气、天然气等) ，也可作为能量的载体 ( 如压缩空气) ，在工业生产中的应用愈来愈广。尤其是令人瞩目的油气田开发、西 气东输、城市煤气化工程等浩大工程，使气体流量检测受到了空前的重视。纵观流 量检测，适用于液体流量的检测技术相对较为成熟先进，而气体流量检测相比就显 得稚弱。究其原因，主要有： ( 1 ) 气体物性参数繁多，其又关乎精确度使得工作复杂化； ( 2 ) 由于密度得原因，使得衰减系数大尤其是对于超声波； ( 3 ) 气体来标定的情况误差因素多； 气体流量检测的实流标定不易达到高精度，尤其足对于大口径管道。一般气体 流量检测的精确度都相对低于液体流量检测。虽然有许多困难，但随着市场的需求 与现代科技信息的发展，气体流量检测技术依然取得了长足进展。 目前，主要的流量检测方式主要有：气体涡轮流量检测、超声波气体流量检测、 容积式流量检测、热式质量流量检测、均速管流量检测等。 1 气体涡轮流量检测 气体涡轮流量检测是速度式流量检测中的主要种类，其原理是通过涡轮( 多叶片 的转子) 感受流体平均流速【4 j ，从而推出流量或总量。一般由传感器和显示仪两部 分组成。 硕士学位论文 第一章绪论 其优点在于：( 1 ) 高精度；在所有流量检测系统中，精确最高的；( 2 ) 重复性好； ( 3 ) 元零点漂移；抗干扰能力好；( 4 ) 结构紧凑；( 5 ) 范围度宽。所以在以下一些 测量对象中获得广泛运用：石油、天然气、有机无机液体、液化气等。 其缺点是( 1 ) 很难长期维持较准特性；( 2 ) 流量特性受流体物性的影响较大。 2 超声波气体流量检测 由于世界能源供求同趋紧张，人们寻求一种适应性强，精度高的流量检测方式 来测量天然气流量。气体超声流量检测应运而生。 近十几年来随着集成电路技术迅速发展超声波流量检测是才开始应用。其原理 是：通过超声波在流动的流体中传播载上流体流速信息，再通过简便、可靠的信号 处理方法，就把这个流速信息转换成流量信息。因此，通过接收到的超声波就可以 检测出流体的流速，从而换算成流量。依据检测的方式可分：传播速度差法、多普 勒法、波束偏移法、噪声法等不同的类型。 其优点：可作非接触测量【5 】【6 1 。外央式换能器超声波流量检测系统可无需停流 截管安装，只须在管道外部安装换能器便可。这是其在工业用流量仪表中独具的特 点，因此可作移动性测量( 即非定点固定安装) ，可用于管网流动状况评估测定。 还可解决一些特殊情况的测量问题，如速度分布严重畸变，非圆截面管道的测量等。 其缺点：传播时间法超声波流量计只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗 粒和气泡超过某一范同的液体；反之多普勒法超声波流量计只能用于测量含有一定 异相的液体。外央装换能器的超卢波流量计不能用于与内管壁剥离( 会严重衰减超 声信号) 或锈蚀严重( 会改变超声传播路径) 的管道。 3 容积式流量检测 容积式流量检测有着悠久的历史，在流量检测仪表中是精度最高的一类。 在各种气体和液体的流量测量中使用着各种形形色色的容积式流量检测系 统。起原理是：利用机械测量元件将流体分割成单个已知的体积部分，再依据计量 室充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量1 7 j 。 其优点：计量精度高；安装管道的条件对精度无影响；可用在高粘度液体的测 量；操作简便；范围度宽。由于这种流量检测方式适合体积量的精密测量，因此， 在贸易和精密仓库管理，昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测量中广泛运用。 其缺点：体积庞大，结构复杂；被测介质口径、种类、工作状态局限性较大； 较大程度只适用于洁净单相流体；不适用于高、低温场合；产生噪声及振动。 4 热式质量流量检测 热式质量流量检测是利用传热原理，即流动中的流体与热源( 流体中加热的物 质) 之问热量交换关系来测量流量的。过去我幽称量热式，当前主要用于测量气体。 可分为两种类型：量热式质量流量检测、浸入型热式质量流量检测峭】。前者是 从薄壁测量管外壁绕加热丝，因此不适合中等以上口径，工业用途不广。热式流量 4 硕十学位论文第一章绪论 仪表使用口径和流量均较小，较多应用于半导工业外延扩散、石油化工微型反应装 置、镀膜工艺、光导纤维制造、热处理淬火炉等各种场所的氢、氧氨、燃气等气 体流量控制，以及固体致冷中固体氢蒸发等累积量和阀门制造中泄漏量的测量等p j 。 其优点：热分布式可测量低流速微小流量；浸入式可测量低中偏高流速，插入 式更适合于大管径。无活动部件，压力损失小，无分流管的热分布式仪表。使用性 能相对稳定，因组成简单，很少出现故障。 其缺点：响应慢，测量值会随被测量气体组分变化而变化，从而产生误差。对 于热分布式，被测气体若在管壁沉积垢层将会影响测量值，须定期清洁。 5 匀速管流量检测 均速管流量检测是2 0 世纪6 0 年代基于毕托管原理发展起来的一种新型流量检 测方式，又称a u n u b a r ( 1 j 可牛巴) 【l o 】。均速管流量检测方式既吸收了速度面积法得优 点，又摒弃了其缺点。运用近似积分理论，选取较多的点来逼近流速分布方程，使 测量结果更为接近真值。使用简便，测量结果更是只需读一次数，因而适用于工业 生产中拓广。传统的均速管采用中空的圆杆或菱形杆，在其迎流面钻有成对的按一 定规律排列的侧压孔( 总压孔) ，把孔中感知的总压与杆背面静压孔感知的静压一同 传至差压变送器就可得知流量。 均速管流量计的优点【l l j 在于： ( 1 ) 结构简单、重量轻、制造成本低 ( 2 ) 安装、拆卸简便 ( 3 ) 压损小，能耗少 ( 4 ) 维修方便 ( 5 ) 适用的范围宽广 1 2 2 各种方法的比较 衡量一种检测方法的优劣要从测量精度、系统可靠性、可实施性、成本等诸多 方面综合考虑，各种检测方式的性能对比如表卜1 所示： 表卜1 列出的五种检测方法的优缺点，比较各优缺点不难看出均速管流量检测 因其独具的特点占有了一席之地。特别是由于压力损失小，大大减少了动力消耗， 节能效果显著，这在能源紧张的今天，有着其特殊的意义。其最大的优点是适应范 围宽，长期稳定性好。并且近年来有了较大的发展，出现了几种结构形式不同的种 类。虽其也有缺点，但相比于其他几种方式有很大的优越性【1 2 1l j 。 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 各种检测方式的对比 检测方式优点缺点 高精度、重复性好、抗干无法长期维持较准特性、 气体涡轮流量检测 扰能力好、范围度宽、结流体物性对流量特性有较 构紧凑大影响 可作非接触测量、移动性传播时间法只适应清洁液 ( 即非定点固定安装) 测体和气体、外夹装换能器 超声波气体流量检测 量对管道有很高要求、多普 勒法精度不高 计量精度高、安装管道条结构复杂体积庞大、被测 件对计量精度没有影响、介质种类及工作状态局限 容积式流量检测 范围度宽、直读式无需外性较大、不适用于高温低 部能源可直接获得累计、温场合、产生噪声及振动 操作简便 可测量低流速微小流量、响应慢、被测气体组分变 浸入式可测量低中偏高流化较大时会有较大误差、 热式质量流量检测速、插入式更适合于大管会给被测气体带来相当热 径、压力损失很小、使用量、对细管型仪表更有易 性能相对可靠，组成简单，堵塞的缺点 结构简单、重量轻巧、准 确度高、节能显著、防堵信号波动大、受流体牵引 性好、安装维修简便力影响振动大、以往有的 均速管流量检测长期稳定性好、适应范围类型取压孔易堵塞精度不 宽阔，管径愈大，优越性 古 同 愈好，适用于高温、高压 的工作条件 综上所述，均速管流量检测方式以其设计：结构简单、重量轻巧、节能显著、 准确度高、长期稳定性好、适应范围宽阔、防堵性好、安装维修简便，可以弥补现 阶段前几种设计的一些不足之处。通过各种性能的优势互补可以获得准确的流量， 提高检测系统的检测判断能力，确保所需检测系统的安全运行。随着科学技术的发 展，制约其发展的瓶颈已经被扣破，各国都加强了匀速管流量检测的研究改进步伐， 这已成为流量检测的热点研究之一，也是本文要讨论的主题。 6 硕+ 学位论文 第一章绪论 1 3 匀速管流量检测的研究现状、关键技术原理及研究意义 1 3 1 国内外研究现状和关键技术原理 均速管流量检测方式，问世已三十多年，名称各不相同，截面也各异，但都是 基于皮托管测速原理，以测管道中直线上几点流速来推算流量的一种插入式流量仪 表。它具有结构简单，价格低廉，装、拆方便，压损小。 毕托管只能测量出管道内某一点的流速，而流体在管道中流动时，同一截面上 各点流速并不相同，为求出流量，必须知道流束的平均流速。如果在测量位置上流 动已达到典型的紊流速度分布，则测出中心流速v m a x ，按照公式可求出各点流 速和平均流速。 但是，在实际情况中，由于工艺管道上存在弯头、阀门或其它管件，这些阀 门，管件会造成工艺管道内流速曲线呈不规则变化，而且通常没有足够的直管段来 使之平稳。在这种情况下，一般是把圆形管道截面积用同心圆方法分成n 个相等的 圆环面积如图1 - 2 所示： 一 图1 - 2 等面积环原理图 设各环面积中心速度为矿，则平均流速为： 旷= ( 1 1 ) 胛百 一般取n 5 ，那么平均动压只= 二y e ，。每个环形面积要测量4 点流速，即用毕托 “ c _ 一“，o 管测量流量至少要测出2 0 点j ! 向流速才能求出近似的平均流速。因此，这种方法非 硕士学位论文第一章绪论 常繁琐、费时，难以实现自动测量平均流速。 1 3 2 研究意义 本课题的研究意义在于：可以解决目前牵引电机风量检测应用的一些不足之 处，改善牵引电机风量检测中资源让费的现象。使我国牵引电机流量检测技术走上 一个新的台阶，更能为所需检测系统的安全运行提供强有力的保障 采用匀速管检测原理测量流量，方便、节能、稳定。从耗材少、运行费用低 两方面来看都是一种节能仪表。在当前大力倡导建设节约型经济情况下，是一种值 得推荐的流量检测方式。 流量测量用的均速管检测杆截面最早出现使用的是取材方便的圆形，但其流体 分离点不固定，造成流量系数变化；很快又出现菱形( 或称钻石形) 均速管，流体分 离点不固定的问题解决了，但又存在易堵塞等问题；9 0 年代起又出现t 形均速管， t 形均速管的正压取压为几乎跨越整个管径的槽形口。 在实际应用中，由于流量检测影响因素较多，相应的方法也十分多，当前还没 有一种方法可取代其他而一统天下，对于每一种来说都只能扬长避短，在己之长的 领域中发挥作用。在大口径的流量检测系统中，均速管以其显著的节能效果，优异 的性价比，常常作为首选【l 引。 本设计的插杆横截面类似子弹头形状，可以更有效地测取总压，避免流体中脏 污物粘附取压孔，就较好地解决堵塞问题。本设计的研究可以弥补目前匀速管检测 应用的一些不足之处，根据匀速管自身的优势互补，在前人经验的基础设计出新型 的匀速管，充分发扬匀速管的优点，改善不足之处。做到既符合节能又达到精度要 求，迎合我国加强节能，新型节约型社会的发展趋势引。 改善我国流量检测系统中能源让费的局面。加强节能、新型节约型社会、科学 技术的发展，使我国匀速管流量检测技术走上一个新的台阶，更能为所需检测系统 的安全运行提供强有力的保障。因此，本设计的研制成功具有重要的理论和实践指 导意义。 1 4 本文的主要工作 本文的目的就是在综合国内外的最新研究成果的基础上，设计匀速管流量计的 建模新思路，提出简明、有效、精确、实用的新型匀速管流量计的设计方法，从理 论分析和实验检测两个方面进行深入系统的研究，促进新型匀速管流量计效率的提 高和性能的优化，同时，在理论分析的指导下，对流量检测系统进行工程化设计、 实现、试验，验证理论的有效性。本设计要求： 8 硕士学位论文 第一章绪论 流体名称：空气 工作压力：常压 工作温度：2 0 最大流量：1 5 0 m 3 m i n 流体密度：1 2 0 5 k g m 3 。 差压上限：a p m a x = 5 3 3 p a 工作状态下圆管直径：d = 4 0 0 m m 直管段长度：前l l 4 0 0 0 m m后l 2 2 0 0 0 m m 本文以应用于南车株洲电力机车研究所检测中心风量试验台为设计目标，完成 了智能气体流量检测系统的软硬件设计以及系统的试验和实现。 本文内容主要分七个章节进行介绍： ( 1 ) 第一章介绍各种国内外检测控制的发展，以及本设计的来源。介绍各种流 量计的优缺点，新型均速管流量检测系统的设计背景、关键技术及研究意 义。 ( 2 ) 第二章深入探讨了均速管流量检测的原理及结构，工作特点，为系统实现 做好理论铺垫。 ( 3 ) 第三章详细阐述了新型均速管流量检测系统的研究设计，介绍其结构设计 与测量原理。包括新型均速管检测杆的截面的设计，全压孔的开孔位置的 选取，数学模型等。 ( 4 ) 第四章进行新型匀速管流量检测系统的智能变送器部分的硬件和软件设 计。给出了变送器系统框架、主程序和子程序框图，并对其组成部分从器 件选择、内部结构等方面进行详细说明。 ( 5 ) 第五章介绍系统的抗干扰电磁兼容设计。 ( 6 ) 第六章是系统测试，进行了系统初步检测并根据实验结果进行实验结果分 析。 ( 7 ) 第七章对论文进行总结和展望。 基于本文的理论在导师的悉心指导下丌展了中国南车株洲电力机车研究所有 限公司检测中心的牵引电机温升实验风量检测项目，该项目完成时间：2 0 0 8 年4 月 2 0 0 9 年4 月。 9 第二章匀速管流量检测的原理及结构 2 1 引言 第二章匀速管流量检测的原理及结构 从六十年代末以来，为获得较大的经济效果，工业上有向大型化发展的趋势。 现在工业现场超过一米的管道早己不稀奇，因此，常见的流量检测不是太过沉重， 就是压损大，能源损耗多价格也贵。在能源短缺的今天，迫切需要研制一种低压损 的节能检测系统。这也就是均速管流量检测系统产生的时代背景。 均速管流量检测是基于早期的皮托管测速原理发展而来的一种新型测量方式， 它的基本结构组成是根中空的金属杆，在迎向流体流动方向钻有成对的测压孔。 因外形酷似笛，也叫笛形流量计。因其结构简单，制造成本低，安装维修简便，尤 其是压损小的突出优点，在工艺管径同益增大而又厉行节能的今天，特别是近年来 引起国内外很多工程技术人员的注意。我国不少引进国外技术的工厂中也较多采用 了其技术。国内也有在研发设计。我想说明的是在设计的过程中有以下几个问题值 得注意： 1 ) 关于均速管流量检测用的管流数学模型【l6 1 。从国外公布的资料看，数学模 型较为粗糙，是尼库拉兹( n i k u r a d s e ) 三十年代建立的，在管道中心及边界都不太符 合实测情况。因此，据其所定的均速管流量检测的测点数目和位置都未必合理。 近年来，国内外对管内流动进行了精确的探测和深入的研究，对充分发展管流 提供了较为精确的数学模型，从而有可能更合理地确定均速管流量计的测点数目及 位置。 2 ) 关于均速管管内外流动动力学性质，国外曾发表论文，提出有关的理论和假 设，但缺乏足够的试验数据验证，因此有待进一步探讨。对这些问题的深入研究将 不仅有助于正确确定测点的数目及位置，而且有助于选择正确的截面形状，设计完 善的结构型式、制定合理的安装、使用条件，从而提高均速管流量检测的准确度。 3 ) 关于在非充分发展紊流条件下的测量。在系统安装截面前后要求有较长的 等截面直管道，以获取充分发展紊流，从而保证测量的准确度。但现场，由于管径 大，往往难以做到这点。对均速管流量检测系统来说，它本身就是一个合理选择测 点