（检测技术与自动化装置专业论文）冶金行业蒸汽热量计量仪的研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 冶金行业是中国重要的基础产业部门之一，能源费用是生产成本的重要组成部分。 因此，有必要对能源数据进行有效准确的测量，以便于在能量传输过程中供需系统的 能源管理，达到及时准确地计量各供需系统所消耗能量的多少。 在能量计量方面，水、电、燃气、燃煤的热量计量已经比较成熟，而在蒸汽热量 计量方面还停留在单一表的检测、抄送、巡检、维护的阶段，无计算机通讯接口，不 能进行联网通讯，无法实现网络化管理，由于计量数据不能及时准确的上报，实时性 差，给生产调度、生产指挥、指标核算及正常的管理和决策带来不便。而且蒸汽的热 量计量方式不尽合理，现有的计量方式是仅计流量，而没有考虑到蒸汽类型( 饱和蒸汽、 过热蒸汽1 以及温度和压力的补偿和蒸汽热焓值对实际热能造成的影响。 如今，在市场上所供应的计量蒸汽热量的产品也相对较少，往往也是只计量蒸汽 流量，不计实际热量的计量方式。而且在计量流量时，所采用温度、压力补偿的数学 模型也相对简单，所适用的温度、压力范围很小，当蒸汽温度过高或压力过大时，就 会造成计量数据的不准确。 因此，本文针对冶金行业中蒸汽热量计量的现状及发展趋势，在阅读了大量的文 献及资料的基础上，设计、调试了一套用于冶金行业的、能够准确测量能源数据的、 并具有数据传输功能的蒸汽热量计量仪。该系统采用了科学的热量计量方式，把蒸汽 的热焓值引入到蒸汽热量计算的数学模型中，且采用的温度、压力补偿的数学公式所 适用的温度范围基本涵盖了工业中常用的蒸汽温度区域，充分体现了热量仪的科学化、 合理化、测量范围宽、精度高的发展趋势。其中，重点在于温度传感器、涡街流量传 感器的设计。 在蒸汽热量计量的理论基础上，选用最新的、具有丰富片上资源的控制芯片 m s p 4 3 0 系列单片机和外围器件。在硬件电路的设计和软件编制过程中提高了仪表的测 量精度，使蒸汽热量计量具有较高的可靠性，为冶金行业中蒸汽热量的消耗提供了准 确的依据。 按照模块化的设计方法，将系统硬件部分分为不同的电子电路模块来分别进行设 计，并对整个电子电路进行测试仿真；将软件部分分为不同的功能模块分别编制，进 而组合起来进行调试；最后对整个系统的性能进行了调试和试验。通过试验，本系统 初步达到了蒸汽热量计量的目的，系统的结构合理，硬件和软件设计基本达到了预期 要求。 关键词：热量仪m s p 4 3 0 单片机温度传感器流量传感器 长春工业大学硕士学位论文 m e t a l l u r g yi n d u s t r yi so n eo fi m p o r t a n tb a s i ci n d u s t r i e so fc h i n e s eb r a n c h ，t h es o u r c e s o fe n e r g yc o s ti st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ep r o d u c t i o nc o s t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y f o re f f e c t i v ea n da c c u r a t em e a s u r e m e n to fe n e r g yd a t a w h i c hi se a s yt oc o n t r o le n e r g yo f s u p p l ya n dd e m a n ds y s t e mi n t h et r a n s f e rp r o c e s s ，a n dm e a s u r ea c c u r a t e l yt h ee n e r g y c o n s u m e de v e r ys u p p l ya n dd e m a n ds y s t e mi nt i m e a m o n gt h e m ，h e a tm e t e r a g eo fw a t e r , e l e c t r i c i t y , t h eg a s ，a n dt h ef i r ec o a la r ea l r e a d y r e l a t i v e l ym a t u r e b u th e a tm e t e r a g eo fs t e a ms t i l lh a v em u c hd e f i c i e n c y , a n ds t a yi nu n i t a r f o r md e t e c t i n g , c o p y , c h e c ku pr o u n d , h a sn ot h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，c a nn o t c a r r yo u tn e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n ，a n dh a sn ow a yt or e a l i z en e t w o r ka d m i n i s t r a t i o n b e c a u s et h em e a s u r i n gd a t a 啪tb er e p o r t e dt i m e l ya n da c c u r a t e l y , i tc a u s ei n c o n v e n i e n c e t op r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o na d j u s t ，r e g u l a ra d m i n i s t r a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n g t h ev a p o u r se n e r g ym e t e r a g ew a yi sn o tc o m p l e t er e a s o n a b l e ，n o wa v a i l a b l em e t e r a g ew a y i so n l yt oc a l c u l a t ef l o w , b u td o e sn o tc o n s i d e rt h et y p e ( s a t u r a t e dv a p o u r ，s t e a m g a s ) a f f e c t s t oa c t u a lh e a te n e r g ya sw e l la st h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ec o m p e n s a t i o na n ds t e a mh o t e n t h a l p yv a l u e 1 1 r e l a t i v e l y , t h e r ea r eo n l yaf e wp r o d u c t si nt h em a r k e t ，w h i c ha r eu s e dt om e a s u r et h e h e a to fs t r e a m a n dt h em e t h o di su s u a l l yt om e a s u r et h ef l o wo fs t r e a m ，n o tt om e a s u r et h e r e a lh e a t f u r t h e rm o r e ，t h em a t hm o d e lt oc o m p e n s a t et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei sa l s o r e l a t i v e l ys i m p l ea n dt h eu s e ds l o p e i ss m a l l n e s s s oi tc a nm a k et h em e a s u r e dd a t a u n - c o r r e c tw h e nt h es t r e a mt e m p e r a t u r eo rt h ep r e s s u r ei st o oh i 【g h t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g nak i n do fs t e a mh e a tm e t e ra c c o r d i n gt oc u r r e n ts i t u a t i o n a n dd e v e l o p i n gt r e n do fs t e a mh e a tm e t e ri nm e t a l l u r g yi n d u s t r y t h i ss y s t e ma d o p t st h e s c i e n t i f i ch e a tm e t e r a g ew a y , l e a d sh o te n t h a l p yv a l u ei n t ot h em a t h e m a t i cm o d e lt h a t c a l c u l a t e sh e a tt os t e a m ，a d o p t st h ef u n d a m e n t a ld e n s i t ym a t h e m a t i c a lf o r m u l ao ft h e t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o m p e n s a t ew h i c hh a sc o v e r e sw i t hi n d u s t r ys t e a mi nc o m m o uu s e t e m p e r a t u r ea r e a ，t h a t e m b o d i e ss u f f i c i e n t l yt h ed e v e l o p i n gt r e n do fs c i e n t i f i c a t i o n ， i n t e l l i g e n t i z e d ，w i d em e a s u r i n gr a n g e ，h i g ha c c u r a c y t h es t e a mh e a tm e t e ri n t r o d u c e db yt h i sp a p e ru s et h es e r i e so f1 6b i t sm s p 4 3 0m c u a n dp e r i p h e r a lc i r c u i t ，i m p r o v et h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo fm e t e rd u r i n gt h ep c bd e s i g n a n dp r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt om o d u l a r i z e dd e s i g np r o c e d u r e s ，w ed i v i d et h eh a r d w a r ei n t o s o m ec i r c u i tm o d u l e sa n dt h e nt e s t i n ga n de m u l a t i n gt h ew h o l ec i r c u i t s i m i l a r l y , w ed i v i d e t h es o f t w a r ei n t os o m ep r o g r a mm o d u l e s ，a n dt h e nd e b u g g i n gt h ep r o g r a mi naw h o l e f i n a l l y , w et e s t t h eh e a tm e t e ra saw h o l es y s t e mi nt h ef u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h e i l 长春工业大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t , t h i ss y s t e mg e t st h ep u r p o s eo fm e a s u r eh e a t ，t h es t r u c t u r ei sr e a s o n l a b l e ，t h e b a s i ch a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g n e dh a sb e e nr e a c h e de x p e c t a n td e m a n d k e y w o r d s ：h e a tm e t e r m s p 4 3 0 m c u t e m p r a t u r es e n s o r f l o ws e l l s o r l i i 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在本人导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确 方式表明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 孪忠位 日期：阳7 年弓月矽f i l 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 我国自1 9 9 8 年节能法实施以来，冶金工业企业不断推进技术进步、强化节能 管理、强化能源的准确计量，并且已经取得了一定的成绩。但应该看到，近年来，由 于国内需求的拉动和世界经济的影响，冶金工业( 如钢铁) 进入了高速发展时期，在 产量快速增长的同时，自然资源的日益紧缺和能源消耗的过多损失，使各级企业均面 临着严重的考验。根据我国的实际情况，国家提出了“能源开发与节约并举，把节约放 在首位”的指导方针，各冶金工业企业日益重视节能技术的推广应用和节能产品的研制 开发，从提高资源( 能源) 的综合利用入手，积极探索具有中国特色、适合企业实际 的节能途径和能源计量的管理方式。 目前在冶金行业中节能途径主要有自然资源的合理利用和节能产品的开发，以及 对能源消耗的准确的估值与计算，其中在能量计量方面，水、电，燃气、燃煤的热量 计量已经比较成熟，然而在蒸汽热量计量方面还有很多不足，因此设计并制造一种用 于冶金行业的、以节约能源为目的的蒸汽热量计量仪势在必行。 1 1 蒸汽热量仪概述 目前蒸汽热量计量仪主要应用于冶金、化工、电力、石油等工业领域，便于在蒸 汽的传输过程中供需系统的能源管理。以达到到能够及时准确地计量各供需系统所消 耗的蒸汽热量值。 蒸汽热量仪是以单片机为核心，配以流量传感器、温度传感器和压力传感器，实 时采集流量、温度、压力几个参数并结合热量的计算公式在单片机中计算热量的消耗 情况。 蒸汽能量的大小是蒸汽的质量流量与蒸汽焓值的乘积，因此在一段时间内就有瞬 时流量( 累计流量) 和瞬时热量( 累计热量) 的概念。然而蒸汽的焓值和蒸汽温度、压力之 间有一定的关系，而蒸汽的质量流量却又是蒸汽在其温度和压力下的密度值与其体积 流量的乘积，因此说温度、流量、压力、是计算蒸汽热量不可缺少的三要素1 2 j ，只要知 道这三个要素才能按照蒸汽的热力学计算公式来计算热量的多少，因此说一个好的热 量计量仪要能真实、准确地采集蒸汽的流量、温度及压力的数值，利用计量精度较高 的数学公式和优良的单片机系统来计算。 目前应用较广泛的是户用热量表，主要应用于我国北方地区城镇居民在冬季供暖 时按所使用热量的多少计费，而不是按户用面积的大小计费。此类热量表计量技术相 对工业热量计量已经比较成熟。它和蒸汽热量计算仪的计量原理大致相同，主要不同 是所测量的介质不同：所用的热量学公式不同；在户用热量表中不需要进行压力的补 偿。蒸汽热量仪是在工业应用所需的基础上发展起来的，应用范围不是很广泛，因此 长春工业大学硕士学位论文 对此类热量仪的研究和试验也相对较少，技术也相对落后【3 l 。 1 2 蒸汽热量表的国内外发展状况 在前文中已有所述，我国的蒸汽热量仪表是在工业生产的需要上发展起来的，其 中也借鉴了许多户用热量表的开发和生产经验。因此，有必要先介绍一下户用热量表 的发展情况。 中国的户用热量计量仪表的自主研制开始于上个世纪9 0 年代初，在这十几年的研 发、生产中，学习和借鉴了外国的先进技术和经验，同时也针对中国的国情做出了许 多自主研发的努力。1 9 9 7 年，欧洲( 热量表) 标准( e n 一1 4 3 4 ) 州成立，此后，这个标 准逐渐被一些企业单位所了解和重视，包括中国科学院、清华大学、航天部、兵器部 等直属的科研院所、高等学校，先后都以多种形式，积极参与到热计量仪表装置的研制 开发工作中来；或者在深入研究的基础上与企业合作，或者自己投资开发。一些军工 企业也将“热量表”作为“军转民”的重点项目。中国热能表的研制开发真正走上了正轨。 “世纪之交”也成为中国热能表技术发展的历史转折点。 现在，中国生产、经营热量表的企业已超过了6 3 家( 2 0 0 2 年6 月不完全统计) 5 1 。 其中发展规模最大的是沈阳航发热计量技术有限公司。他们开发生产的航发捷德热计 量表是国家科技型中小企业科技创新基金项目、国防科工委军转民项目和中国航空工 业第一集团公司重点发展民品项目。2 0 0 2 年被建设部确定为“建设总科技成果转化指南 项目”。 然而，这些都是在户用住宅供暖方面计算热量所取得的成绩，在工业生产方面对 蒸汽热量的计量还很落后，没有对热量数据进行有效和精确的测量，在一定程度上造 成了能源的浪费。 目前在国内对蒸汽的热量进行计量的试验和开发的产品相对较少，大部分都采用 计算蒸汽流量的方式来计算，而没有考虑蒸汽的温度和压力对其焓值的影响，也没有 考虑蒸汽类型，如饱和蒸汽、过热蒸汽对蒸汽实际耗能的影响。而且在计算蒸汽的质 量流量时的计量记录和结算单位往往都是质量流量，即“千克”【6 】；而蒸汽流量的测量一 般都是只计体积流量，即立方米，没有在计算仪中采集温度和压力来对密度进行补偿。 随着成本意识的不断增强，对能源计量的准确性提出了更高的要求，计算蒸汽热 量时首先要考虑到对蒸汽流量的准确测量，对流量测量的温度、压力补偿逐渐被提到 了重要位置。然而，在目前许多厂家提供的流量测量装置中，提供的设计温度、压力 与实际运行的工作温度、压力有一定的差异或者由于工艺造成流体温度、压力波动较 大，致使测出的流量不能真实反映其工作状态下的实际流量。绝大多数流量计，只有 在流体工况与设计条件一致的情况下才能保证较高的测量精度，对于像蒸汽这样的流 体，工况变化对测量精度的影响特别大，必须进行补偿1 7 1 【8 j 。 如今，有许多新的热量计算仪出现在市场上，但所采用的补偿数学模型却不尽相 长春工业大学硕士学位论文 同，这也主要是因为蒸汽的热力学性质比较复杂，这里主要体现在对蒸汽密度的计算 上，在计算蒸汽的质量流量时，密度虽然也是温度、压力的函数，但不再遵循理想气 体状态方程，且在不同的温度、压力区间，函数关系不同，很难用一个简单的或统一 的函数关系来表达。因此在工程计算中往往用查水蒸气性质表的方式来确定蒸汽的密 度，但占用了大量的计算机内存，并不利于智能化仪表的开发。所以工程计算是大多 采用计算公式的方式来计算密度，这些公式都是在i f c l 9 6 7 1 7 1 国际水蒸气骨架表的基础 上，通过回归的方式拟合出来的公式，这些公式主要有： 刀陀1 9 6 7 公式 饱和水蒸气密度计算公式 湿蒸汽密度计算公式 乌卡诺维奇状态方程 各出版物拟合公式 这些公式除了i f c l 9 6 7 公式也都是一种近似的数学模型，有各自的温度压力适用 范围，而且应用的范围较小，一般在1 0 0 c 3 0 0 c 之间 7 1 【羽，在蒸汽温度压力值较大 时就会产生较大的计量误差。因此探求一种适用温度、压力范围较大的蒸汽密度的数 学模型是此类仪表的发展方向，也是本项目所要解决的关键问题。 另外，目前国内在计量蒸汽流量及蒸汽热量方面也没有考虑湿蒸汽的问题，蒸汽 的温、压状态在饱和曲线以下区域时就不能称其为蒸汽而是水了。饱和蒸汽实际上是 水分子由液态转变为气态的临界值，饱和蒸汽由于温度或压力的改变，部分气态水分 子转变为液态，即蒸汽中携带了部分的水时就称其为“湿蒸汽”。完全气态水分子称为 “干蒸汽”【9 】o 湿蒸汽在管道中实际上是两相流，会影响流量仪表的计量精度。因此准确 测量湿蒸汽的流量问题，还必须解决蒸汽干度补偿的问题，但目前国内外都没有找到 既方便又经济的在线干度补偿的方法【埘，因此这也是个工程计算上的难题，本课题也 没有涉及到干度补偿的计算。 在国际上，特别是北欧一些国家，从2 0 世纪7 0 年代能源危机以来，十分重视节 能工作，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。欧洲的户用热量计量仪表 从七十年代开始研究开发，经历了从机械式、电子模拟积分式、电子数字积分式，直 到以微处理器为基础的智能式的发展过程， 够设计、制造全套的供热系统设备，装置， 善【1 1 】【1 2 】。 1 9 9 9 年形成统一的技术标准e n - 1 4 3 4 ，能 设备质量高，控制技术先进，控制手段完 但在对蒸汽热量的计量方面，国际上开发和生产的蒸汽热量仪表也相对较少，也 是因为应用范围不广泛的原因吧，在蒸汽性质方面，国际上只提出了i f c l 9 6 7 蒸汽热 力学性质的公式，下面介绍一下此公式的由来。 在第二届和第三届国际水蒸汽性质会议制定的水蒸汽骨架表，根据各国科学家的 大量试验数据，列出了骨架上在某一压力和温度下蒸汽的热力学性质。并给出了由于 长春工业大学硕士学位论文 测量手段造成的误差。随后几届会议又将骨架表的压力和温度范围放宽，并有了许多 改进。随着计算机技术的发展，国际水蒸汽会议认为推导一套工业应用的水和水蒸汽 性质公式很有必要，因此在1 9 6 3 年( 纽约) 的第六届会议上成立了国际公式化委员会 ( 玎陀) ，这个国际会议推出的公式是由一整套方程式组成，用该公式计算出的数值， 不论在哪一点，都在骨架表的允差之内。目前大多采用的水蒸汽表的比容、焓、比热 都是根据这些公式计算出来的，并被国际水蒸汽性质协会成员国的决议确认，工业用 1 9 6 7 年的i f c 公式就是该工作的成果。但是此公式相当繁杂，在智能化仪表的开发中 并不利于计算。 1 3 开发冶金行业蒸汽热量仪的来源与现实意义 我国是人口众多的发展中国家，能源是国民经济发展的物质基础，从长期供需预 测看，供需矛盾仍很突出，随着我国经济形势的飞速发展以及加a w r o ，国际市场的竞 争日趋激烈。各行各业都面临着严峻的考验。如何提高企业的管理水平，如何降低生产 中成本以提高生产效率，成为一个企业兴衰存亡的关键。其中，能源消耗是所有企业必须 要计入生产成本的重要支出项目。所以正确、合理地使用能源就成为了企业管理的重 要内容。 在目前冶金行业的能量主要体现在水、电、燃气、燃煤和蒸汽热量几个主要方面。 水、电、燃气和燃煤仪表计量技术比较成熟，关键是设计一种蒸汽热量计量仪表以改 变只按流量计量这种粗糙的能量计量方式，目前的蒸汽热量表主要存在的问题如下。 测量精度低，直接造成了能源计量数据的不准确，使企业不能准确掌握能源消耗 的重要信息，致使生产指挥缺乏有效的数据依据，造成许多不必要的能源浪费。 能量计量还停留在单一表检测、抄送、巡检维护阶段，无计算机通讯接口，不能 进行联网通讯，无法实现网络化管理。由于计量数据不能及时、准确上报，实时性差， 维护不及时，不能实现能源的动态管理，能源分配不均衡，易产生差量异议，给生产 调度、生产指挥、指标核算及正常的管理和决策带来诸多不便。 热蒸汽的能量计量方式不尽合理，现有的计量方式是仅计流量，而没有考虑到蒸 汽温度和压力的补偿及蒸汽类型( 高温蒸汽、饱和蒸汽) 对实际热能造成的影响。 因此蒸汽热量的计量要综合考虑压力、流量、温度和蒸汽热焓等因素的影响，以 达到准确的、及时的计量能源消耗的目的。这也就是本项目初衷与目的。 本课题的来源： 本课题来源于吉林省科技发展计划项目，是通化钢铁集团公司能源监控系统的一 部分，有着重要而现实的意义。 4 长春工业大学硕士学位论文 第二章蒸汽热量计量仪的原理和结构 2 1 硬件电路的构成 蒸汽热量计量仪的硬件电路主要由以下几个部分组成：m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机、涡街 流量测量电路、温度测量电路、压力测量电路、显示电路、时钟电路、以及m - b u s 通 讯电路等。整体硬件电路组成框图如图2 1 所示。 因此本蒸汽热量计量仪表是以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为核心而构成的智能化仪表， 涡街流量传感器输出与流量大小相对应的脉冲频率，经信号处理( 电荷转换放大、低通 滤波、整形饺为数字信号后，由单片机读入，得到体积流量，并累计总量；温度传感 器p t l 0 0 0 的测量信号和压力测量信号经a d 转换后，计量蒸汽的瞬时质量流量和累计 流量，通过质量与焓值的乘积得到蒸汽的瞬时热量和总量：并由显示接口，送至l c d 显示；由m b u s 通讯方式进行联网数据传输，进行实时监控。 涡街流量测量电路i + 一 液晶显示 l 温度测量电路卜 m s p 4 3 0 f 1 4 9一 按键处理 压力测量电路 - - 一 通讯接口 实时时钟电路卜 图2 - 1 蒸汽热量计量仪的硬件结构 2 2 蒸汽热量计量的补偿算法及热量计算模型的建立 由于蒸汽流体工况随时都在变化，蒸汽的密度值和焓值也都在随着压力和温度在 不停的变化，这就需要实时采集蒸汽的温度和压力，在积算仪或计算机中计算出密度 和焓值来进行补偿，如图2 2 所示。 图2 - 2 温、压补偿系统结构图 长春工业大学硕士学位论文 2 2 1 饱和蒸汽和过热蒸汽计量的补偿 科学化的蒸气质量流量计量应该是蒸气的体积v 乘以蒸气的密度p ，然而蒸汽的密 度又是温度、压力的函数，在以往的工程计算中，凡涉及水蒸气的状态参数数值，大 都从水蒸气表中查出状态参数。但这样将占用大量的计算机内存，不利于智能仪表的 开发，因此如果用蒸汽密度公式代替查表法将节省很多资源。由于蒸气在运行过程中 由于工况参数的变化，会发生状态变化；如过热蒸汽变为饱和蒸汽，饱和蒸汽变为过 热蒸汽，如图2 3 所示，图中的纵坐标和横坐标分别为( 水) 蒸汽的压力和温度值。图中 的曲线称作饱和曲线。曲线上的点为饱和状态的蒸汽参数值，饱和曲线以上部分为过 热蒸汽，以下部分为液态水。 图2 - 3 蒸汽温、压曲线图 饱和蒸汽和过热蒸汽的密度又分别有不同的数学描述模型，所以必须先判别蒸汽 的状态( 饱和或是过热) ，再用不同的公式计算。另外湿饱和蒸汽含有饱和水，是两 相流，要准确测量蒸汽流量还必须知道干度。而在线干度测量难度很大，国外虽有一 些研究成果，但未见普遍推广应用，国内目前仍处于研究阶段。在本文的设计中也没 有考虑进行干度补长这一措施。下面就饱和蒸汽和过热蒸汽的密度的数学模型进行描 述。 1 、饱和蒸汽密度的温度、压力补偿 关于饱和水蒸气的热力性质，国际专门组织已经制定发表了国际骨架表，表中所 列数据被公认是可靠的，这些数据我们可以在一些数据手册中找到，对于表中未列出 的数据可以通过插值法估算出。由于计算机技术的发展，计算机已在工业中得到广泛 的应用，通过插值法计算表中未列出的数据方法，已不再适用于计算机处理大批的数 据，有必要将数据公式化，这样既适合计算机处理大批数据，又可以将此公式作为经 验公式用于工程计算。在对饱和蒸汽的进行密度补偿时，由于饱和蒸汽的压力和温度 有固定的对应关系，所以只需要找出其密度与压力的关系，就可以通过压力的测量计 算密度。在这里我们采用蒸汽性质的专用手册中给出的饱和蒸汽密度的拟合公式，此 6 长春工业大学硕士学位论文 公式对常规曲线拟合方法作了修正，实现了带可调参数的曲线拟合，而且是较低阶次 的拟合多项式，相对于刀f c l 9 6 7 给出的蒸汽第二区的公式要简化得多，减小了c p u 的 运算量，而且也是一个精度较高的计算公式，在o 1 m p a 5 o m p a 下相对误差羽l 5 。 公式如下【”i1 1 4 1 ： p - - 0 4 2 2 9 9 3 + 4 6 8 0 2 9 3 5 p + 0 0 0 0 5 9 1 9 2 4 8 6 p 2 ( 2 1 ) 口饱和蒸汽密度，k g m 3 p 饱和蒸汽压力，m p a 2 、过热蒸汽密度的温度、压力补偿 相对于饱和蒸汽密度的数学模型，过热蒸汽相比之下要复杂得多，在本设计中摒 弃了以往常用的几种密度公式，因为它们都是简单的模型，适用范围小，模型误差较 大，在这里不作介绍。在这里采用的是用最d - 乘法拟合出来的过热蒸汽的密度公式， 它是温度和压力两种参数同时补偿的密度计算公式，且适用范围很宽( 温度可达到 7 0 0 c ，压力在0 1 1 6 m p a ) ，基本上涵盖了工业蒸汽的范围，且计算精度较高，公式 如下【”i 1 4 1 ： p 一 _ oo 0 0 3 6 6 , 1 去) 3 6 乃4 ( 志) 2 - o 叫志) + 0 0 8 2 4 】， + 【_ 0 毗为8 ( 志) 3 + o - 嗍s s ( 去) 2 - o 2 s 6 2 ( 志) + 0 4 9 7 2 】p 2 + 卜m 咖( 志) 3 + o 删9 ( 志) 。劢s ( 志) 门删l p q 之， 式中： p 一过热蒸汽密度 k g m 3 p 过热蒸汽压力m p a t 过热蒸汽温度 2 2 2 蒸汽热量的计算模型 热量的计算原理 蒸汽的热量可以按下式的热力学公式来计算： q = m l l s 式中： q 一蒸汽热量l 【j l l i n 一蒸汽质量流量 k g h h 广蒸汽焓值 k j k g 蒸汽的质量流量为： m = 矿pk g ，l l p 一蒸汽的密度k 咖3 矿一蒸汽的体积流量m 7 ( 2 - 3 ) ( 2 - - 4 ) 长春工业大学硕士学位论文 所以只要得到蒸汽的质量流量和其焓值就可以利用公式( 2 - 3 ) j 挂行热量的计算。这 里蒸汽的焓值与蒸汽压力和温度有关，蒸汽焓值采用下式计算： 见= 3 2 1 9 8 1 7 - 0 0 0 7 6 2 t - 7 9 1 9 3 5 t + 2 1 1 6 3 4 2 p - 0 0 1 5 6 7 t p ( 2 - 5 ) t _ 蒸汽温度 p 一蒸汽压力 m p a 式( 2 - 5 ) 按文献嘲以最小二乘法原理计算得到，h s 最大误差为0 1 4 ( 在p = o 4 m p a ， t = 1 6 0 时误差最大1 。 通过以上分析，我们完全可以根据蒸汽的状态，饱和蒸汽还是过热蒸汽来分别建 立蒸汽流量的数学模型，无论哪种状态，对于蒸汽的热量都有这样的模型qt ，p ，f ) 形式，既蒸汽的热量是其质量流量聊，蒸汽温度t 和蒸汽压力p 的函数。在软件设计 中只需要区别不同的蒸汽类型，按照不同的计算公式进行计算即可f 1 4 】。 2 3 单片机的选择 作为蒸汽热量仪表系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统功能的优化起着 至关重要的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有5 1 系列的8 位单片 机，面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器( d s p ) ，以及目前市场上增强型的1 6 位单片机。 5 l 单片机虽然具有开发技术成熟，应用广泛的特点，但功能过于简单，运算速度 较低，已不能适应先进的测控系统的设计需要。d s p 器件在工控领域的应用，从长远 看是一个必然的趋势，但日前d s p 器件的使用偏重于高端应用领域，侧重于需要大量 数字信号处理的场合。对于智能仪表开发其功能得不到充分利用，不能很好的体现器 件优势。作为这两种微处理器的一种折衷方案，各大公司纷纷推出各种面向不同应用 场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高的 处理速度，大容量r o m 和r a m ，往往处理器本身就已经是一个小系统模式，仅仅需 要一些简单电容、电阻元件就可以工作。其中m s p 4 3 0 系列单片机就是其中的性能价 格较为优越的一款1 6 位单片机，具有丰富的片上资源。 鉴于工业用蒸汽热量计量仪表数据处理量较大，选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 超低功耗单片 机是最佳方案。目前，m s p 4 3 0 系列有4 种类型器件：o t p 型、f l a s h 型、e p r o m 型和r o m 型。这些器件的开发手段不同。对于o t p 和r o m 型的器件是用相对应的 e p r o m 型器件作为开发片，或使用仿真器开发成功后再烧写掩膜芯片；对于f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有j t a g 调试接口，还可电擦写的 f l a s h 存储器，因此，采用先一下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程 序的运行由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方法只 需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要仿真器和编程器，节约了开发成本。因 此在设计中选用了功能强大的f l a s h 型微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 | ”i 。 长春工业大学硕士学位论文 m 鲫螂钞微处理器的特点： 低电压供电、宽工作电压范围：1 8 v 3 6 v 超低功耗，且有5 种节电模式 灵活而功能强大的编程能力：7 种源址寻址模式；4 种目的寻址模式：核心指令仅 有2 7 条；具有优先级、嵌套的中断功能；高效的表格处理能力：高速1 6 进制1 0 进制转换；8 m h z 时钟频率时指令周期时间1 2 5 n s ，绝大多数指令一个时钟周期完 成 灵活的时钟系统( 两个外部时钟和一个内部时钟) 低时钟频率可实现高速通信 具有串行在线编程能力，高效易用的开发工具：闪存仿真器f e t ( 包括外设和中断 仿真) 和c 编译器相结合在一起 强大的中断功能 唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6 瞒 i e s d 保护，抗干扰力强 除此，还具有丰富的片内外设：m s p 4 3 0 f 1 4 9 集成了十分丰富的片内外设。这些外 设包括：带有3 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra 3 ；带有7 个捕捉比较寄存 器的1 6 位定时器t i m e r _ b 7 ：2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 与p 2 ；4 个8 位 并行端1 2 1 ：p 3 ，p 4 ，p 5 ，p 6 ；模拟比较器c o m p a r a t o r a ，1 2 位a d 转换器a d c l 2 ： 两个串行通信接口u s a r t 0 与u s a r t l ；这些片内外设为系统的解决方案提供了极大 的方便1 1 5 1 1 1 6 1 。 2 4c p i j 最小系统的设计 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机本身具有非常丰富的片内资源，因此，最小系统无需配置过多 的外围接口芯片就可满足本系统要求，从而变得十分的简单。 本系统设计基础时钟模块的l f x t l 振荡器工作在低频模式，外接3 2 k ( 3 2 7 6 8 i - i z ) 钟表晶振，作为内部看门狗定时器( 工作于定时器模式) 的时钟源，使其能精确定时1 秒 产生中断请求。因为系统要求有许多秒级的时间延迟，相对于大多数单片机的定时器 最大只能定时为毫秒级而言，这种设计无疑可以大大减轻软件的工作量。l f x t 2 振荡 器外接3 6 8 6 4 m 的晶振，工作于高频模式，作为其他外围模块的时钟源。可以通过j 1 硒 接口，通过它进行程序下载，实现c p u 仿真调试功能。 1 、单片机电源与地的连接 单片机的d v c c 和a v c c 端不能直接接到电源v c c 上，一定要串联一个5 1 0 欧姆的电阻，这样系统受噪音的影响小。另外，d v c c 和a v c c 也要分别通过1 0 u f 电解电容和0 1 u f 陶瓷电容并联后接地。引脚v r e f + 也要对地接两个去耦电容。如图 2 4 所示。 9 长春工业大学硕士学位论文 图2 4 单片机电源与地的连接 2 、上电复位电路设计 为了使系统在各种复杂情况下稳定可靠的工作，必须使单片机在上电后能够充分 复位，保证正确的完成硬件初始化。在m s p 4 3 0 单片机中有一个瓜s t 复位管脚，它与 不可屏蔽中断功能管脚n m i 复用，在该引脚加载电压后，由软件设置为复位功能，只 要有低电平输入，系统即复位，复位电路如图2 - 5 所示。其中r l = 6 8 k o ，r 2 = 2 0 0 0 ， c 1 = 5 0 p # 切。 图2 - 5 复位电路 2 5 本章小结 本章主要介绍了本系统的工作原理和结构；并对测量蒸气热量的温度、压力补偿 的数学模型加以详细的介绍，最后给出了应用温度范围广，计算精度高的蒸气密度的 计算公式；同时也简要的介绍了单片机的选型和其最小系统的构成。 l o 长春工业大学硕士学位论文 第三章蒸汽热量计量仪的测量电路 3 1 蒸汽热量对温度测量的要求 如前所述，在本项目中系统要能够实现热量计量功能，温度信号的采集无疑具有 十分重要的作用。为此，智能热量表必须对蒸汽的温度信号进行测量、采集，以便得 到相应的温度进行热量计量工作。 另外，在蒸汽热量仪表的研制开发中，必须要充分考虑系统的成本问题。系统的 成本主要包括两方面：一方面是元器件的成本，另一方面是生产调试的成本。因此在 选择温度测量方案中必须做到：在保证温度测量精度达到系统要求的前提下，尽可能 的降低温度测量方案的开销，以求降低整个仪表系统成本。能与节约能源的目的相互 辉映，经济而实用。 3 2 温度传感器的选择及测量电路 温度传感器是检测温度的器件，具有种类多，应用多，发展快等特点。但作为实 用的传感器必须满足下列条件： 在使用温度范围内特性曲线要求达到的精度能符合要求 为了便于后续电路处理，必须有检测便捷和易于处理的特性 对温度以外的干扰信号不敏感 体积小，安装方便 温度特性的偏移和渐变越小越好，互换性好【1 8 】 在现阶段的温度测量领域中，应用最为广泛的常用方法有热电偶测量、热敏电阻 测量、集成式温度传感器测量、铂热电阻测量四种方法。 热电偶的温度测量范围广，结构简单，价格便宜，但是它的电动势较小，灵敏度 较低，误差较大，而且实际使用时必须加冷端补偿等外部元件，使用不是很方便，因 此热电偶一般在工业中测量温度较高，精度要求不高的场合应用较多。 热敏电阻具有灵敏度高、响应侠、功耗低、价格低廉等优点，但其阻值与温度变 化成非线性关系，在测量精度高的场合必须进行线性处理。此外元件的稳定性及互换 性较差。这就限制了它的应用范围。 集成式温度传感器是新一代的温度传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、性 能稳定等优点，而且它一般采用电流传输，适用于远距离测量和传输。但目前国内用 于智能热量表领域的还比较少，同时价格较为昂贵。 铂热电阻具有线性度较好、测量准确、灵敏度好、互换性好、抗振动冲击的性能 好等优点。虽然它的价格相对于热敏电阻要高一些，但它的综合性能指标却是最好的， 其应用范围较广。根据民用热量表的e n l 4 3 4 标准、o i m l - r 7 5 1 9 1 规程以及民用热量 表标准( 0 1 2 8 2 0 0 0 ) ，对热量计量仪表而言，出于温度测量精度、热量计量精度的要 长春工业大学硕士学位论文 求，系统对温度测量的精度、灵敏度、线性度要求较高。综合比较以上几种温度测量 方法，这里我们选用铂热电阻温度传感器作为蒸汽热量仪表的温度传感器。 铂电阻是欧洲标准和国家标准所规定的热量表用温度传感器，常见的型号有 l t 1 0 0 ，p t 5 0 0 和p t l 0 0 0 。在0 c 8 5 0 c 范围内，铂电阻与温度的关系为l 刎 2 q 【恐l 2 3 1 ： 殿一ro+at+bt2)(3-1) 式中：r t - 韫度t 时的电阻值 r 旷热电阻在0 c 时的标准电阻值 a ，b - 一分度系数 i e c 7 5 1 规定对于l t 1 0 0 0 ，分度系数的值为： a = 3 9 0 8 0 2 x 1 0 3 b = - 5 8 0 1 9 5 x 1 0 - 7 由公式不难看出，温度发生变化，i t 1 0 0 0 的电阻值变化量最大，因此测量的灵敏 度最高，这对仪表的设计很有利；另外较小的电流通过p t l 0 0 0 仍能产生较大压降。热 量表中的除了选择p t l 0 0 0 温度传感器来提高测量精度，还需考虑铂电阻的精度等级。 m 凹5 1 规定了两种精度等级a 和b 。 等级a ：a t 一土( o 1 5 + 0 0 0 2 k f ) 等级b ：a t 一( 0 3 0 + 0 0 0 5 l f l ) 显然要获得高的温度测量精度就必须选择a 等级的铂电阻。因此在这里我们选择 a 等级的p t l 0 0 0 铂电阻作为温度传感器，p t l 0 0 0 的测温电路如图3 - 1 所示。 图3 - 1p t l 0 0 0 测温电路 p t l 0 0 0 为蒸汽的测温热电阻，流过的标称电流为l m a ，基准点压v r e f = 2 v ，从电 路可知流过传感器p t l 0 0 0 热电阻的电流为： l = ( v f c f 0 1 ) 瓜3 ( 3 2 ) 运放正常工作时，e 1 和同相输入e 2 相等。e 2 有基准电压，用电阻r l 、w l 、r 2 分压 得到。若假定e 2 = l v ，则有： l = ( 2 v 一1 v ) 1 k o l