（电气工程专业论文）fic2000天然气流量计量系统.pdf

a b s t r a c t n a t u r a lg a si sak i n d o fi m p o r t a n tc h e m i c a lr a wm a t e r i a la n dc l e a ne n e r g y s o u r c e s t h ev o l u m em e a s u r e m e n to fs t a n d a r do r i f i c ei sam a j o rw a yi nt r a d e i n s t e a do ft h em e c h a n i c a lm e a s u r e m e n t t h ed d zi n s t r u m e n tm e t h o di sb e i n gw i d e l y u s e d b a s i n go nt h ep r o s p e c to fm a r k e ta n dt h es t a t eo fn a t u r a lg a sm e a s u r e m e n t ，t h e a u t h o rd e v e l o p sf i c 2 0 0 0n a t u r a lg a sm e a s u r e m e n ts y s t e m i t sa r i t h m e t i cs t a n d a r d i ss y t 6 1 4 3 1 9 9 6 t h ei d e ao fd e s i g ni st ou s eh a r d w a r ep l a t f o r mo fp c b a s ea n d s o f t w a r ep l a t f o r mo fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m m e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o m p o s e do fc o m p u t e r ，f l o wc a l c u l a t o ra n dt r a n s m i t t e r ， c o n f i g u r a t i o ni sv e r yf l e x i b l e t h ec o m p u t e ri s ah m ii n t e r f a c ea n dd a t ab a s e m a n a g e m e n tp l a t f o r m i tp r o v i d e sv a r i o u sk i n d so ff u n c t i o n ，s u c ha sf l o wc h a r t ，r e a l t i m ed y n a m i cd i s p l a y , r e a lt i m ea n dh i s t o r i c a lt r e n dc h a r t ，a l a r m ，r e p o r t ，d a t al o g g i n g p a r a m e t e rs e t t i n ge t c t h ef u n c t i o n o ff l o wc a l c u l a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，d a t a a c q u i s i t i o na n ds t o r a g e c o m m u n i c a t i o ni s a l s op r o v i d e di nf l o wc a l c u l a t o r t h e f i e l ds j i g n a ti sc o n v e r t e di n t oe l e c t r o n i cs i g n a lb yt r a n s m i t t e r a r t i ce x p l a i n s d e t a i l e d l yt h ep r i n c i p l ea n df l o wc h a r to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e r sg i v e ss i m p l ei t e r a t i v ea r i t h t a c t i co ff l o wc a l c u l a t i o n t h ep r e c i s i o n o fj u d g e m e n ta n di t sv a l u ew a sc h a n g e d ，b u tt h ee f f e c to fi t e r a t i v en u m b e ra n d p r e c i s i o ni sr o u g h l ye q u i v a l e n tt of a s tn e w t o ni t e r a t i v ea r i t h m e t i c f l o wi sa d d e di n t h em e t h o do fi n t e g r a t i o n t h et e c h n o l o g yo fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o dw a sf u l l ym a d ei n t h es y s t e m h o wt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fs t a n d a r do r i f i c em e a s u r e m e n ti s a l s o d i s c u s s e df r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h em e a n s0 fm e a s u r e m e n ta n dt r a n s m i t t e r ， o n l i n ec o r r e c t i o no fm e a s u r e m e n tp a r a m e t e ra n da b n o r m a lc o n d i t i o n a 1 lt h o s em e a n s a r eu s e dt oo v e r c o m ei t ss h o r t c o m i n g so fl e s ss c a l eo fm e a s u r e m e n tr a n g e ，s h o r t p e r i o do f c h e c k o u t m o r et a c h eo fm a i n t e n a n c ea n dl o wa c c u r a c yo f m e a s u r e t h em o d b u sp r o t o c 0 1 i su s e da sp r i m a r yp r o t o c o li nt h es y s t e m w h e nt h e r ei sa u s e r d e f i n e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i ti sc o n v e r t e di n t om o d b u sp r o t o c o lt h r o u g h c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r p a p e r sg i v e ss o m es o l u t i o n st oi m p r o v i n ge f f i c i e n c ya n d f i n i s h i n gp r o j e c to fr e m o t ec o m m u n i c a t i o n s o f t w a r es y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i m s e v e r a ih a r d w a r e sa tt h es a m et i m e f l o wc a l c u l a t o rm a yb ea l s oa c c e s s e da ss i n g l e e q u i p m e n ti no t h e rs y s t e m s a ne x a m p l ei sg i v e ni nt h ep a p e r st oi n t r o d u c ef u n c t i o n ，g r a p h i c s ，f l o w c a l c u l a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，r e p o r te t c t h et r e a t m e n to f g r o u n d i n ga n ds o f t r a r ei s a l s os u g g e s t e d i naw o r d ，w ei n t e g r a t ei n t ot h es y s t e mt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l ，s e n s o r , m e a s u r e m e n ta n dd a t a b a s e t h es u c c e s so fs y s t e m c o n s i s t si n i t ss t r u c t u r e ，e x t e n s i b i l i t y d e v e l o p m e n tt h o u g h t ，o n l i n ec o r r e c t i o n r e a l t i m eo n l i n ec o n f i g u r a t i o n h i g h s p e e da n dm u l t i c h a n n e l s i nt h ee n d i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a tn a t u r a lg a sm e a s u r e m e n t “s t e m b a s e o nf i e l db u si sa nu p t r e n dt h es y s t e mp r o s p e c t sw e l l k e y w o r d s ：n a t u r a lg a sf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e m 、s y i t 6 1 4 3 - 1 9 9 6s t a n d a r d ，n e w t o n i t e r a t i v ea r i t h m e t i c i m p r o v e m e n to fa c c u r a c y , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， e n g i n e e r i n ge x a m p l e 独创性声明 本人声明所呈交的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 栗。据我掰知，除了文中祷嗣翔以标注和致谢的圭魍方矫，论文中不包含葜绝入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金墨兰业盍堂 或其它教育机 构的学位畿证书丽使用过的材料。与我同工俸的同志对本研究所骰的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇氛够芝 签字蹶彬年箩胪懿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有投裸馨蒡海国家蠢关部门或撬构送交论文戆复印俘及溅鑫，允谗论文狻查阕和 借阅。本人授权佥魍王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 瘁遴行硷索，著可以采爱影印、臻印或其德复毒l 手段舔存论文。 ( 保密的论文在解密后膨遵守此规定) 糙黻错辩：纨够芝 签字目蝴：j 耐年g 月p 日 狮签吐 胖目歹归，垂 学位论文作者毕韭焉去向：中鞠石佬集图公司黢髑石油管理竭 i 。作单位：中i i 化胜利l i 油管理局塔里木胜利钻井公司电话：( 0 5 4 6 ) 8 7 2 3 5 6 8 通讯地自 ：由尔省尔替市东营隧邮编：2 5 7 0 6 4 致谢 在整个论文的选题和实施过程中，我的导师长期给予我极大的指导和帮助， 其严谨的治学态度、广博的学识和冤私的奉献精神使我受益非浅。我不仅举到了 扎实的专业知识，也学到了为人的邋理。在| 毙我要囱我的器颊致以最衷一t b 豹感谢 和深深的敬意。 嚣封也对绘予我大力支持瓣胜裂 霆蟹鲍领导翻网事溪表感谢。 发心地感谢在酉忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 1 前言 天然气作为重要的化工原料和清洁能源，对我国国民经济的发展有着极为重 要的作用，天然气的开发和使用得到了国家的大力提倡。西部地区作为我国天然 气的主要产地，天然气的开采、输送和使用对该地区经济发展具有极其重要的战 略意义。目前我们国家的“西气东输”，彰显了天然气的极为重要的战略地位。 在天然气的开采、输送和使用过程中，不论是内部结算或者外部结算计量环 节都有着十分重要的作用，在这一过程中，有大量的井场、集气站、配气站需要 符合标准、功能齐全、价格低廉的天然气流量专用计量装置系统。 目前，天然气的计量在我国以体积计量为主，孔板差压式流量计作为计量天 然气流量的主要手段，根据取压方式的不同又分为法兰和角接取压方式两种。其 中流量测量一次仪表为标准孔板；在取压点分别测量静压、差压和温度，在有条 件的地方还测量该点的组分进行流量的计算。检测仪表主要有机械式和电动单元 组合仪表两种类型。 机械式仪表利用孔板两侧的压力差，使感测元件变形而产生位移，该位移通 过机械放大使记录笔运动，同时通过机械或电动机驱动记录纸运动，两种运动合 成所描述的曲线即为相应时间内流量参数变化值。该值可通过人工、求积仪或读 卡仪取值进行流量计算。目前常用的为双参数的c w d 一4 3 0 型双波纹管差压计，可测 压力1 6 m p a ，差压6 0 k p a ，精度为i 级。常采用分辨率为1 的玻璃温度计或1 5 级 的双金属温度计，人工定时读取。采用求积仪一般用0 5 级进行取值。机械式流量 测量仪表构成的测量系统简单、可靠、维护方便；但精度低、信号不能远传、人 工取值也会带来附加误差，不便于管理。在2 0 0 0 年有大约5 0 计量采用该方式，2 0 0 1 年大约3 0 ，在以后2 3 年内将逐步被其它形式的流量计或流量计量系统取代。计 量时信号从现场到计量仪表系统之间的中间环节基本上采用孔板+ 电动单元组合 仪表的方式。 由于天然气是易燃、易爆、有毒的混合物，在系统设计时现场仪表必须具备 防爆功能。 电动单元组合仪表方式要求的几种常用方案为”。“： 差压、压力、温度记录方案：分别由差压、压力、温度变送器以及三笔记 录仪构成，流量记录时仍需由人工或求积仪对三个记录参数进行取值后才能进行。 该方案虽然信号可以远传，但从取值角度上讲与机械式仪表方式相同，计算烦琐 而且有人为误差。一般记录仪为0 5 级，差压、压力选用o 卜o 2 5 级的变送器，温 度常用防爆铂热电阻p t l 0 0 和温度变送器，可选精度0 2 - 0 5 级。此种形式仍在少 量使用。 压力、温度自动补偿方案：随着电子技术和计算技术的发展，多个厂家开 发出了单通道的流量积算仪计算机，有的还带有微型打印机。由流量计算机 计算机取代了中的三笔记录仪。结构简单、维护方便，操作人员定时读取数值 或收取报表，减少了流量计量工作。目前已经成为计量点很少特别是单点情况下 的主要方式。 全补偿计量的方案：由于天然气组分的变化将直接影响计算的准确性，对 于计量条件许可或天然气组分变化较大的场合，可以采用在线分析仪”( 价格昂 贵，一般为数万美元) ，主要用于计量回路较多场合时的计量系统或流量测量要求 较高的地方。 超声波流量计：2 0 世纪9 0 年代末在天然气工业中的应用取得了突破性进 展，在国外天然气工业的贸易输送、气体分配和控制已经开始采用。但价格极其 昂贵，一般管道内径在5 0 0 r a m 左右的超声波流量计约为1 0 0 万元人民币，在国内还 仅仅用于极其重要的贸易对象的计量交接。 从具体的计量仪表或系统方面，目前大体上又可以分为以下几种。 双波纹流量计，属于机械方式，将逐步弃用； 控制室内流量积算仪表：多属单通道计量，功能单一，指标较低的计量显 示仪表，大多为国产； 国外的专用流量计算机：价格昂贵而且存在着计量标准的某种差别，其本 质仍是计量仪，但功能已较的单台仪表大为增强。 计量系统：其设计思想大多采用一级集中检测计量的方式，系统为非组态 式的从头至尾的自我编程方式，一般用v c 或v b 来实现，系统结构为p c 机带p c 总线 i o 插卡，或者p c 机+ 外部智能数据采集器，使用中总是可靠性、扩展性等这样那样 的问题： 国外的r t u 或p l c 计量：r t u 单元附加计量模块( 一般为4 通道) 或p l c 扩展 可编程模块，该方式目前主要用于站场的调度、控制并有流量计量时一并考虑，在 大型s c a d a 系统中也采用这种方式。 对于天然气的计量标准”3 ，目前国外广泛采用的是i s 0 5 1 6 7 。”。，a g an o 3 a g a n o 8 删，e n l 7 7 6 标准，目前国家标准g b t 2 6 2 4 9 3 基本上采用i s 0 5 1 6 7 标准，但考 虑到天然气特殊介质以及在天然气行业的长期历史积累经验，在计算方法上作了 一些特殊处理，既符合国标同时又能适应目前的管输状况。在天然气行业执行的 是s y t 6 1 4 3 一1 9 9 6 “1 标准，该标准在标准孔板的结构、制造、安装和流出系数等同 国标，计算上则基本上和a g an o 3 相同，实际上起着代行国标的作用。 关于算法的处理，目前国内的仪表或计量系统一般根据标准提出的实用公式 加以直接使用，将许多参数当作常数，这在工况比较稳定的情况下( 比如在被测流 体工作在设计的差压、压力、以及温度条件) 使用基本上还是可以的，但实际生产 活动中工况是经常变化的，有时甚至变化非常大，必须对相关的计量参数加以实 时修正才能比较准确地计量。另外，对于非正常原因可能引起的不准确计量一般 也没有加以处理，非正常主要包括信号超限、信号异常、仪表调校、清洗孔板、 系统掉电、时钟不同步、人工补偿以及其它不可预料的情况等。第三，由于实际 管输条件与标准可能存在的差异，进行适当的管输环节如孑l 板、管道的非理想情 况的补偿也是非常必要的。进行一系列的补偿，对天然气的供需双方而言+ 并不仅 仅是技术上的问题，同样在符合相关法规的情况下，尽可能地提高计量精度，对 供需双方也是公平的。 基于当前的市场前景和天然气流量计量的现状，我们提出了系统结构为两级 计量并且基于嵌入式和p c b a s e 的设计思想，依据原中国石油天然气总公司的 s y t 6 1 4 3 1 9 9 6 最新算法标准开发f i c 一2 0 0 0 天然气流量计量系统。 整个系统主要由计算机、积算单元、变送器等部分组成，根据生产需求实现 系统的灵活配置。计算机实现h m l 人机接口和数据管理平台，具有工艺流程图、实 时动态显示、实时和历史趋势图、报警、报表、数据汜录、参数设定等功能。积 算单元固化有流量计量专用软件和通讯软件，实现数据采集、计算、补偿、存储、 通讯等功能。变送器将现场信号转换为电信号送到积算单元。通讯采用事实上的 工业标准的m o d b u s ”3 协议，其它自定义协议通过通讯控制器转换为m o d b u s 协议。 浚系统融合了计算机、通讯、控制技术，以及先进的传感技术、测量技术和 数据库技术。完成了天然气计量参数的实时采集、计量、补偿、显示、数据保存、 报警、报表功能。 该课题实施的主要工作包括：系统设计以及选型：积算单元流量计量软件包， 算法的实现和提高流量计量精度的探讨：计算机应用软件的二次开发，如数据库、 画面、报表：通讯部分则主要有通讯协议、协议转换、通讯质量的提高等内容； 系统的抗干扰措施：系统的集成和投入实际运行。 目前已经开发完毕，并在现场进行试运行的结果是准确、可靠、满足实际生 产需求，情况良好，得到用户好评。系统在同类产品中处于领先水平。 2 基本原理和数学模型 2 1 基本原理和数学模型 天然气流过节流装置时，流束在孔板处形成局部收缩，从而使流速增加，静压 力降低，在孔板前后产生静压力差( 差压) ，气流的速度越大，孔板前后产生的差 压越大，从而可通过测量差压来衡量天然气流过节流装置的流量大小。这种测量 的方法是以能量守恒定律和流动连续性方程为基础的”3 。 孔板流量计组成示意图以及孔板节流原理示意图分别如图2 1 和图2 2 。 上测量营孔板夹持矗孔扳下泄曹 图2 1 孔板流量计组成示意图 ，2 i 茅”笼梦斧委一 图22 孔板节流原理示意图 从图2 1 我们知道，流量测量一般要按照规范从被测现场获取差压、压力和温 度三个基本的实时参数，再根据数学模型即可得到相对应的流量值。 在如图2 2 孔板前后取断面1 芹i 2 ，假设在绝热流动过程中断面1 5 n 2 上的流体质 点之间将遵守下面的能量方程式。”： f y d p + 弘u = 0 ( 21 ) 式中：矿平均比容，脚3 k g ； p 静压力，p a ； u 流体的线速度； l 说p 代表从点1 到点2 所测量的压头变化； i 切u 代表从点1 到点2 所测量的速头变化； 又根据流量的连续性方程，通过各截面的体积流量恒等： 4 l u l = 爿2 u 2 = q ( 2 2 ) 式中：丑4 ，分别为测量管横截面积和孔板开孔面积，1 7 7 2 ； u 】u ，分别为4 1 ，4 2 处的流速，s ； q 为通过测量管的体积流量，朋3 s 。 经过一系列的推导运算，并引入可膨胀系数用来修f 由于流速和压力的改变 而引起密度的改变；得出两个基本方程，分别为质量流量与差压的关系由公式 ( 2 3 ) 和体积流量与质量流量的关系由公式( 2 4 ) 。 铲寿s 厮 ( 2 。) g 、：堑( 2 4 ) p 1 式中： c 用于补偿任意两点间的摩擦系数，称为流出系数； s 可膨胀性系数 d 孔板开孔直径，m m ； 直径比，= 兰；d 为管道直径洒； u p 气流流经孔板时产生的差压，p a ： 岛气天然气在上游工况下的密度，m 3 堙。 天然气流量计量在结算中采用标准状态( 绝对压力为0 0 1 0 3 2 j m p a 和温度为 2 9 3 1 5 k ) 的体积流量q ，其计算公式为： q ，= 丛( 2 5 ) 一， 将公式( 2 1 ) 代入公式( 2 3 ) ，得出标准体积流量q 。计算的基本公式： q 。寿5 e 。d 2 譬 泣。， 根据 胪笔等 亿， 风= 崔学 协s ， 式中：g ，标准状态下天然气的真实相对密度： 乙干空气在标准状态下的压缩因子； z 。天然气在标准状态下的压缩因子； m 干空气的相对分子量： r 通用气体常数。 丁热力学温度。 联解公式( 2 6 2 8 ) 整理后得到天然气标准体积流量计算的如下形式的实用 公式： 幺= a , c e d 2 尼如辱b 卸 ( 2 9 ) 式中q 标准状态下天然气体积流量，m 3 s ； a 。秒计量系数，视采用计量单位而定： c 流出系数； e 渐进速度系数；表达式为e = ： 4 1 一分 d 孔板开孔直径，m m ； f 吃相对密度系数；表达式为f g2j 壶 占可膨胀性系数； 序一 凡超压缩因子；表达式为f g2j 詈 e 流动温度系数；表达式为f t = ，竺兰! vy 鼻孔板上游侧取压孔气流绝对静压，m p a ： p 气流流经孔板时产生的差压，p a ； 本系统进行天然气计量的基本数学模型采用了公式( 2 9 ) ；系统则采用了差压、 压力、温度、密度全自动补偿的方案，流量计量专用软件包采用积分求和法计算 累积流量。 根据耐奎斯特采样定理”1 ，对于一个具有有限频谱的连续信号，当采样频率 大于或等于信号所含最高频率的两倍时，采样函数便能不失真地恢复原来的连续 信号。由于流量具有连续性的特点，因此对于适合s y t 6 1 4 3 - 1 9 9 6 标准的计量流体， 信号采样频率计量周期一般在卜2 秒之间。在流量累积时，既可定时累加，也可 积分求和。 对于f 常的计量的误差，标准规定采用不确定度：4 ：这一概念。不确定度表征被 计量的真值所处的量值范围的评定，即表示计量结果附近的一个范围，并且被计 量的真值以一定概率落于其中。s y t 6 1 4 3 1 9 9 6 规定按9 5 的茕信概率估算，亦即 其值将有9 5 的概率落在( + 2 j ，一2 8 ) 范围之内，j 代表标准方差。 流量测量不确定度主要由以下三个方面因素引起：流量计算方程描述流动 状念真实性的不确定因素：被测量介质实际物理性质的不确定因素；测量中 重要设备( 如孔板开孑l 直径、直径l i i 等) 的不确定因素。测量不确定的相对值表示 ( 以体积测量为例) 为6 q ，q ，是一个无量纲量。 依据拉普拉斯一高斯正态分布的随机误差理论原理，流量测量的不确定度是 流量计量方程中各个参量的不确定度的合成，而且假设这些参量之间是彼此独立 和不相关的。 根据泰勒级数和高斯定律对式( 2 9 ) 做适当的变换处理，得出体积流量测量的 相对不确定为“： 6 q 。 q ， 式中：詈流出系数不确定度：。6 日寸取。6 。6 时取 鱼可膨胀系数不确定度，取值4 塑： 。 占 尸 罟测量管内径的不确定度，取值。4 ； 鲁孔板开孔直径的不确定度，取值o 。7 ： 孕天然气相对密度测量的不确定度，取值o 5 ： u 等天然气压缩因子测拿的不确定度，取值。5 ： 等天然气流动力学温度测量的不确定度： 、，五一2 翁将 ，k、 4 ，_ + 上渤 + 卜。 型d ，习倍降丛小仨堕五 如占：+ + 1 0 一 ，卜坚e 鲁天然气流动时上游侧的绝对压力的不确定度 ! 垒里差压测量的不确定度： 印 对于差压、压力、温度的不确定度，它们都有相似的计算表达式，以温度为 例，取值 坚：呈考孕 ( 21 1 ) t3 。， 善代表精度等级，瓦表示量程范围，z 则是测量温度值。至于取系数鲁，主 要考虑在( z 为瓦的9 0 时) 时的情况。 当通过组合仪表测量差压、压力、温度时，应当按照组合测量不确定度求解。 例如，压力信号从现场到流量积算单元的数字信号，经过了变送器、配电器、a d 转换环节，假设配电器环节系数分别为k ，则现场实际测压力p 和进入计算的压 力p 。之间有如下的关系： p 。= x p( 21 2 ) 因此根据误差理论，得到( 2 1 2 ) 的测量通道的精度为： 乞= 厄厮 ( 21 3 ) 2 2 流量计量迭代算法 我们知道天然气体积流量计量的实用公式如式( 2 1 4 ) ： q ，= a 。c e d 2 只j 巴厢 ( 2 1 4 ) 以标准孔板节流件的角接取压为例，f 与管径随雷诺数r 。有下面的关系 c 0 5 9 5 9 0 3 1 2 卢2 i 0 18 4 0 f 1 8 + 0 0 0 2 9 麒帮7 5 ( 21 5 ) 又天然气的r 。计算的实用公式 - 1 5 3 1 0 6 酱( 2 1 6 ) 式中：。为流动状态下天然气的动力粘度，其它参数含义同前。 从( 2 1 4 ) 、( 2 1 j ) 、( 2 1 6 ) 得知q ，= 厂( c ) ，而c = f ( r m ) ，又r m = 厂( d j ，) 这是一个套循环函数的过程，三者之间呈典型的非线性关系。 对( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 联解得到最基本的方程如( 2 1 7 ) 一三 x 2 t 1 7 + n a x4 式中x 流出系数，研、胛、a 分别取值： m = 0 5 9 5 9 + 0 3 1 2 # 二1 一o ! s 4 0 p 8 = 0 0 0 2 9 f 1 2 5 铲警姒倒2 弛巧厢 对( 2 1 7 ) 再变换为式( 2 1 8 ) ，并求一阶和二阶导数： 一兰 f ( x ) = 工一m 一，z 彳x 4 八垆l + 言以x 。 o 川= 一熹啡一竽 。 ( 217 ) ( 2 1 8 ) 由上面三个表达式可知f ( x ) 为递增函数的凸函数。而且由根的存在定理我们知 道存在着区问a ，b 内的唯一点x 使得厂( x ) = 0 。标准规定r 。，5 0 0 0 ，因此在 o 2 0 o 7 5 的范围内，对( 2 1 4 ) 计算可大约知到a ：o 5 9 币d b = o 6 2 。 按照牛顿迭代法( 又称切线法) ，设x = x 。为厂( 工) = 0 的第h 次近似根，在曲线 y = f ( x ) 上的点( x 。，( ) ) 作切线，该切线与x 轴的交点横坐标x 。l 即为f ( x ) ：0 的 第 + 1 次近似根。 一矿怒 c 2 1 9 ) 如近似处理令，( 。) ：亟上王盟，则迭代方程为 x ”一一。1 h r _ ( 熹青岛( 忙1 j 2 ) ( 2z 。) ，令= a 矛l l x l = 6 ，当k + 一h l 小于某一数值如5 1 0 时即得到近似解为x n + l 。 而在实际求解时，为便于运算同时得出c 和r 。，将( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 表达为( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 。 门f 1 0 6 、i c 一栅l i ( 2 2 1 ) r d = a l c ( 22 2 ) 可先假设初始尺。= 1 0 6 ，根据( 2 2 1 ) 计算出c ，再根据( 2 2 2 ) 计算出r 。；当 相邻两次的r 。的相对误差或精度判据口足。( 式2 2 3 ) 小于5 1 0 。时，即将最后一 次的c 代入式( 2 2 4 ) ，得出逼近流量值，用以作为实测流量值。 口r d ( 2 2 3 ) q j ，电丽c ( 2z 。) 上述求解过程实际上使用的是简单牛顿迭代法，与( 2 1 9 ) 式其算法思想是一致 的。使用该算法的天然气流量计量程序框图如图2 3 。 图2 3 天然气流量计量程序框图 算法与( 2 17 ) 一( 2 1 9 ) 的收敛速度基本相当，但却避免了求导以及其它复杂的 运算，其效果是相当不错的。在实际编制程序时，还应当设置一个迭代计数器防 止因不合理计量条件而可能得不到结果时，以便提示进行处理，一般计数器设为8 已经足够。除此之外，还必须对数学运算进行出错处理，以保证程序的正常运行。 另外还可以采取牛顿快速迭代法。来求解，经过两种方法的对比计算和验证， 二者效果基本相当，但前者编程更为简洁。 在实际使用中，不一定要采用a 。5 1 0 一作精度判据，反之用当相邻两次 的c 的相对误差口，1 0 “可以减少迭代次数，对式( 2 2 4 ) 的最终流量而言，1 0 “的 0 误差完全可敬忽路不计。另一稀用0 的稻对谟差柬计算天然气流量瓣流程嘏图螽 图2 4 。而详绷的数据对比见工程实例部分。 幽2 4 州c 的相对误筹计算必然气流蛄的流槲框图 2 。3p c - b a s e 和嵌入式揲 乍系统 在智能仪器和自动化等领域里传缆的设计方法用汇编语毒编写程序，这主要 楚扶爨涯速霾轻节者存诺空闯考虑，髓编程费时，谲试和摇镨疆不容易。徽电子 技术的飞速发展，使商性能微处理器和大容戢存储器的价格变得十分便宜，一速度 积存继容量不褥是嚣撬设诗者貔主要鞠题。人们搀r o m b i o s 逐巅趣遴餐麓 义器仪 表和自动化等领域，并尝试使用高级语言来开发其软件，即把通用计算机上的软 馋季硬 牛“嵌入”专用系统，搦成所溺豹嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m 。 简黼言之，嵌入式系统愚指用予执行独立功能的专用计簿机系统。它幽微电 子芯片( 包括微处理嚣、定时器、序列发生器、控制器、存储器、传感器等一系 掰徽电子芯片与器件) 和嵌入在r o , k i 、r a m 和f l a s h 存储器中的微型搽作系统、控 制与应用软件开发来熨现各种自动化处理任务的电子设备或烧置。箕主要作用是 完成实时控鬟、篮褪、数疆楚瑾等各辩叁动讫任务豹楚瑾，它强调磺件软 串豹秘 同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要 求。嵌入式系绞广泛戏耀予王娩、交邋、葛散、会聚、国转等鏊民缀游数各令领 域，在自动控制领域则有工业自动化仪表与梭测设备、化工过程自动化设备、电 嗣系统、自动抄表设备等。 最简单的嵌入式系统仅在唯一的r o m 中仪有实现单一功能的控制程序，光微 型操作系统：复杂的嵌入式累统具有与p c 几乎一样的功能，仅仅是将微型操作系 统与t 暾用软件嵌入在r o m 、r a m 与f a l s h 存储器丽不是磁盘等载体中，其实质是台 式计算祝的怒微型纯，可戳称之为粪p c 或p c - b a s e 豹嵌入式系统。 类p c 的嵌入式操作系统，有微软公司的w i n d o w sc e ,s u n 公司的j a v a 、朗 添季季鼓熬i n f e r n o 、嵌入式l i n u x ，戳及逶躅软 孛公霹懿d o s 。6 一x l 灏灭式安辩多 任务操作系娩和台湾研华公司的r o m - d o s ”。操作系统。这类系统经过个人电脑或高 淫戆计算撬等产燕熬长戆运行考验，技术爨趋成熟，荚摺关戆撂准毅较搏嚣发方 式由于应用广泛已被用户普遍接受，同时积累了丰窝的开发工具和应用软件资源 共享。在沿鼹了其原肖技术的基础上进行了内核的精麓和嵌入式改造，并掇供耀 应的开发工其。这些搽作系统非常适合用于类p c 如以p c i 0 4 为基础的嵌入式系统。 由于c 谬言容易编摆、代码紧凑、可移植性和可维护性好，因而被普遍用于 嵌入式程序酶设计。这样可太幅度逢提高嵌入式系统工程的工作效率，充分发挥 出嵌入式处理器曰益提高的性能，使产品的升级和继承更迅速，缩短产品进入市 场薅鲻。霜薅e e + + 阮+ ”程嵌入式系统中懿弓l 入，镬褥嵌入式西发秘p e 穗、， 、 型机等之间在开发上的差别正在逐渐消除，软件工程中的很多经验、方法乃至库 函数可以移棱到嵌入式系统。 经过长期的调研和讨论，系统开发采取了p c b a s e 的硬件平台和嵌入式操作 系统的软件平套的开发模式。 下位积藏单元采角p e b a s e 的工业徽计算枫a d a m s 5 1 0 “。和数据采集卡 a d a p t 5 0 1 7 ( h ) 。a d a m 5 5 1 0 系统的主要特点有：内建的c p u8 0 1 8 8 0 1 4 0 m h z 和r o m - d o s 操俸系统，支特汇编袋高级谣言懿t c 2 o t c + + 3 0 开发静应瓣程序，并麓遴过串 口在p c 机上联机调试程序；内建的r a m 和r o md i s k 以及f l a s hr a m 等多种存储 套痿，翅于存镰撵 箬系统、疲溺程警、数掇等；其嶷簿豹硬 争瞧戆( 1 8 位c p l 8 0 1 8 8 4 0 m h z ，内建的r s 2 3 2 4 8 53 个通讯口，i o 、电源、通讯三方街达2 5 0 0 v d c 的隔离，实对时睾辛以及w a t c hd o g ) 。系统可处理4 李蘸模块多达6 4 点i o ，系绞提 供多种标准i 0 模块。这些特点足以达到准确、可靠、高速、多通道、实时自动 偿麴要求。 对予上佼计算机，黼样采用i p c 工娩计算梳+ 监控软件的玎发模式采用了已有 的优秀的通用工控软件平台做二次开发，其可靠性、功能性、扩展性、时效性得 弱了穰滩。 3 系统结构及功能特点 3 。1 系统结构 f i c 一2 0 0 c l 天然气流量计髓系统以s y t 6 1 4 3 1 9 9 6 最新算法为标准，以两级计量 为设计思想，采取p e b a s e 的硬件平裔和嵌入式操作系统的软件平台为开发模式。 测量系统的基本结构示意图如图3 1 所示。 流量屯扑 丰 稿算 单元 蝈” 1 剀3 1计鲑系统的基本结| f = j 示意幽 计量支路1 计量支路8 舔一计薰支路的差压、压力和温度信号经过磁场变送器将现场信号转换为 4 - 2 0 m a 的电流信号，再经过安全栅配电器信号进入流量积辣单元进行流量计量， 计葬熊瑶后的蜕场灞藿值和流量篮经过通讯嘲络送往上位计算机。在天然气等易 燃易爆的危险场所，一般仪淡的选型都应当遵循防爆的原则1 。如果现场变送器 为本安登，则必须使鞠安全栅以达到限流、隈压和隈畿酶作用，以防止危险能量 通过信号线传递到现场；对于非本安型的现场变送器，为了达到计算机系统和现 场陵及信号之淄隔离的葺静，一箴应夯瑶上配电器；鞠栗现场交送嚣本身箕肖隔离 功能。则可以直接和计算机系统的a i 模块直接连接，减少中问环节对测量精度的 影响。 计算机系统部分主要出积算单元和上位机构成，系统的标准配鬣如图3 2 。积 箨荤元实际上是p c - b a s e 的2 e 监镦计算橇a d a a 5 5 1 0 开发系绞，由遥滚卡、c 既卡、 数据采集卡为硬件开发平台，以r o m d o s 为操作系统，采用b c b 3 0 为丌发年口调试 工其，采震i o - 3 0 v d c 静直流佞。积箨擎元圈化有流登计量专用较馋稻逶添软孝 ， 实现数据采集、计算、补偿、存储、通讯等功能。每个积算单元最大可插入4 块 差分彀压输入数采集卡，每块卡8 点a i ，蠢诧最多霹】+ 有3 2 点酶矗 输久。积算蕈 元4 或8 计量支路两种规格，每个计量支路有差压、压力和温度3 个a i 点，对于 多余瓣a i 输入点或耩位鄹可潋麓 乍蒺余酶嚣计量倍号，螽i 、0 0 、a 0 等。 上位机积算单元 图3 2 系统标准配置框图 上位机通过r s 一2 3 2 4 8 5 接口与积算单元通讯，主要起着人机接口和数据管理 平台的作用，由i p c 工控机、软件和打印机组成。软件包括操作系统w l n s t 4 0 、丌 发平台f i x 和t c + + 3 0 、报表软件系统e x c e l 或a c c e s s ，还包含有一些应用程序( 参 数组态，参数写x r a m b a t ，时钟同步) 。上位机具有工艺流程图、实时动态显示、 实时和历史趋势图、报警、报表、数据记录、参数设定等功能。 由于积算单元本身为工业标准的p c b a s e 开发系统，可以独立运行，具有极高 的可靠性，有时为了进一步提高可靠性，可以采用积算单元的冗余配置，如图3 3 ， 积算单元a _ 手! j b 完全一样，同一现场信号分别接至a 、b 对应的输入点，在a 、b 中司 时进行流量计算，并通过计算机的不同通讯口与计算机通讯。由于a i 输入的阻抗 达到2 mq ，安全栅配电器的输出阻抗为1 2 5 q ，信号并联输出的误差可以忽略不 j 己。 圈3 3 积算单元冗余配置框浏 积算单元a 积算单元b 当计量现场的计量支路数超过8 路时，可扩展为多个积算单元，所有积算单 元和之间通过r s 4 8 5 连接成一个通讯网络。 在某些站场，同样还有其它形式的智能流量计、全组分分析仪和可燃气体报 警系统，由于通讯协议的互不兼容，不能直接挂在所有积算单元所处v , j r s 4 8 5 网络 上，因此必须丌发通讯接口程序。此时有两种解决方案，一种是直接丌发监控软 件的i od r i v e f 计算机直接和这些智能外设相连接：第二种是在积算单元上插 一块或多块多串口通讯卡或是采用多串口( 如4 口) 的p c b a s e 的通讯控制器。，将 4 智蕤流量诗静暹讯协议转换为积算蕈元所搜稻的司棒协议，浚方案淘连接示意圈 如图3 4 。 潮3 。4 莰髯单元受其它滚鬣诗的扩襞麓蓝键潮 对于气刚和于线输气管网以及城市天然气网络，在图3 4 的基甜j 上，再通过通 讯藤络将s 矗c 瓣中心和各餮场计量系绞连在筵檎戚丈蘸蘸涿管理黼络，就时各疆 场计缀系统便成为一个子系统，如图3 5 所示。通讯采用m o d 烈远程拨号方式来实 现系绞蕊遥测、遥控弱遥信。霹褒场诗量系绞，麓0 d 瓠甄可以连接褒诗冀掇上，也 可以涟接在积算单元的串口上。 一厂 广 “避! ! ! _ _ 1 馥瑶计量革终 | 私。计算机h m o o e nj hp s t n “：一 l j 。 s c a d a 中心咂三丑一净错星系绩| 到3 。5 旋淄营理耀络系鲮挺型 从上面系统的各种结构可以看出，整个系统出上位枫和税算单元两级构成。 上位枫完成数据篮褫和管理麓功能；积算擎元剐独立地迸行流量的积算、各种补 偿和通讯处理，具有独立的历史数据库。当鬃、配气站计量支路数越过8 路时， 可扩袋为多个穰算荤元，荠疆菝智能流量计等夕 设，构成现场能源镣瑾丽络，还 可以进一步缎成大的能源管璎系统。因此系统构成设计思想的先进性完全有别于 其它虢单逶邋计量显示仪表或计量完全由计