智能V錐流量計(jì)的研究*

林 偉，徐 林

(福州大學(xué)，福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002)

智能V錐流量計(jì)的研究*

林 偉*，徐 林

(福州大學(xué)，福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002)

智能V錐流量計(jì)采用MSP430F4794為CPU，差壓、絕壓、溫度三路信號(hào)由各自的傳感器感知后，經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由MSP430F4794內(nèi)部的SD16_A模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，由CPU進(jìn)行處理，按照所建立的蒸汽的溫壓補(bǔ)償公式進(jìn)行補(bǔ)償并驅(qū)動(dòng)液晶顯示流量結(jié)果，該流量計(jì)的精度可達(dá)到0.2級(jí)。采用“V”型內(nèi)錐式節(jié)流裝置作為智能V錐流量計(jì)的測(cè)量前端，成功地克服了傳統(tǒng)節(jié)流裝置精度低、壓力損耗大等缺陷。

V錐流量計(jì);傳感器;MSP430F4794;溫壓補(bǔ)償

在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，孔板、噴嘴和文丘里管等常用節(jié)流裝置都已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，這些標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于復(fù)制，通用性強(qiáng)，價(jià)格低廉，因此獲得了非常廣泛的應(yīng)用。然而，由于本身結(jié)構(gòu)的缺陷，這些傳統(tǒng)節(jié)流裝置也存在著一些問(wèn)題，如線性度比較差，量程比較小，重復(fù)性和準(zhǔn)確性也不高，且容易積污和磨損，節(jié)流件使用過(guò)程中的壓力損失較大，要求的直管段過(guò)長(zhǎng)，給現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來(lái)了很多不便。為了獲得更好的測(cè)量效果，人們對(duì)產(chǎn)生差壓的節(jié)流裝置的優(yōu)化、改進(jìn)工作一直沒(méi)有中斷，其中較為成功的有80年代中期提出的V型內(nèi)錐式流量計(jì)。，它克服了傳統(tǒng)節(jié)流裝置的一些缺點(diǎn)，能夠較好地調(diào)整流動(dòng)和保持流動(dòng)穩(wěn)定，能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對(duì)潔凈或臟污流體實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確更有效的測(cè)量。使得測(cè)量重復(fù)性和精確度得到了進(jìn)一步提高［1］。

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，流量測(cè)量?jī)x表也開(kāi)始向一體化、智能化的方向發(fā)展。其中，智能流量計(jì)就是一種應(yīng)用非常廣泛的智能流量測(cè)量?jī)x表，它通過(guò)對(duì)來(lái)自不同類型流量變送器流量信號(hào)的測(cè)量，輔以由溫度變送器和壓力變送器獲得的溫度、壓力等補(bǔ)償信號(hào)，對(duì)不同的流體依照不同的算法進(jìn)行實(shí)時(shí)的流量補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了流體體積流量或質(zhì)量流量的測(cè)量、累積、顯示以及輸出。除了這些基本功能外，目前的流量積算儀還具備了記錄、通信、打印等附加功能，并有一定的故障診斷和自恢復(fù)能力［2-3］。

智能V錐流量計(jì)是在“V”型內(nèi)錐節(jié)流裝置的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的?？赏瑫r(shí)檢測(cè)溫度、差壓、絕壓信號(hào)，可對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫壓補(bǔ)償。在流量的算法中，運(yùn)用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)這里采用基于牛頓迭代法的快速開(kāi)方算法進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的開(kāi)方運(yùn)算。

1 V錐流量計(jì)工作原理及溫壓補(bǔ)償

1.1 智能V錐流量計(jì)的工作原理

智能V錐流量計(jì)主要由傳感器部分和轉(zhuǎn)化部分組成，其中傳感器部分包括“V”型節(jié)流裝置、溫度傳感器、壓力傳感器等，轉(zhuǎn)換部分包括采集電路、SD16_A、液晶顯示電路等。

1.1.1 流量的測(cè)量

V錐流量計(jì)是利用同軸安裝在管道中的V型尖圓錐將流體逐漸地節(jié)流收縮到管道的內(nèi)邊壁，通過(guò)測(cè)量此V型內(nèi)錐體前后的差壓來(lái)測(cè)量流量的。V錐節(jié)流裝置包括一個(gè)在測(cè)量管中同軸安裝的尖圓錐體和相應(yīng)的取壓口。該測(cè)量管是預(yù)先精密加工好的，在尖圓錐體的兩端產(chǎn)生差壓。此差壓的高壓(正壓)是在上游流體收縮前的管壁取壓口處測(cè)得的靜壓力p1，而低壓力(負(fù)壓)則是在圓錐體朝向下游端面，在錐中心軸處所開(kāi)取壓孔處的壓力p2，如圖所示。該圓錐體的頂尖朝向來(lái)流，圓錐體與其尾隨面之間是一個(gè)尖銳的銳角。此交合面的邊緣使得流體在進(jìn)入下游的低壓區(qū)之前有一個(gè)平滑的過(guò)渡區(qū)，最后使流體流過(guò)錐體和管道之間的環(huán)形間隙［4-6］。

圖1 V錐流量計(jì)工作原理圖

流量的計(jì)算是根據(jù)伯努利方程推導(dǎo)得到的。其結(jié)論是流管中的流量與“V”型節(jié)流元件前后的差壓的開(kāi)方成正比，其體積流量計(jì)算公式如下:

式中:qm為體積流量值，kg/s;c為流出系數(shù);ε為可膨脹系數(shù);β為等效直徑比;d為等效開(kāi)孔直徑;ρ為流體的密度，g/m3;Δp為差壓值，ΔP=P1-P2Pa。

1.1.2 流出系數(shù)C

根據(jù)ISO4006中對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)的定義為對(duì)不可壓縮流體流量，實(shí)際流量和理論流量的比值(可壓縮流體的話，其比值等于流出系數(shù)乘以可膨脹系數(shù));對(duì)于V錐流量計(jì)，因?yàn)闆](méi)有標(biāo)準(zhǔn)的文件可依，所以必須用不可壓縮流體進(jìn)行實(shí)測(cè)［7］。下面是在實(shí)驗(yàn)中標(biāo)定流出系數(shù)所設(shè)計(jì)的標(biāo)定裝置，如圖2所示。

圖2 流出系數(shù)標(biāo)定裝置

量筒測(cè)的是實(shí)際體積流量，V錐流量計(jì)檢測(cè)的是理論流量值。對(duì)于每一個(gè)V錐流量計(jì)，在流量公式中所采用的流出系數(shù)C是通過(guò)流量標(biāo)定而獲得的。C的典型數(shù)值范圍是0.75～0.85。

1.1.3 V錐流量計(jì)的氣體可膨脹系數(shù)

如果被測(cè)介質(zhì)是氣體或蒸氣，則必須使用氣體可膨脹性系數(shù)ε來(lái)修正柏努利方程。這是因?yàn)樵诠?jié)流件兩端由于壓力變化所造成的氣體密度ρ的變化并不適用于液體。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)可膨脹系數(shù)ε為1，對(duì)于氣體、蒸汽來(lái)說(shuō)ε＜1。根據(jù)ISO4006中定義的氣體的可膨脹系數(shù):

其中C就是前面標(biāo)定的流出系數(shù)。

雖然沒(méi)有現(xiàn)在還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的文件可用，但是由于現(xiàn)有的條件有限，不能用跟流出系數(shù)那樣的裝置去標(biāo)定可膨脹系數(shù)。所以這里我采用的是NEL實(shí)驗(yàn)室和McCrometer公司的三位博士在2001年的一次國(guó)際流量會(huì)議的論文中給出的結(jié)論，其基本思想是:根據(jù)ISO5167，把C·ε和Δp/(k·p1)看作是線性關(guān)系，用氣體作介質(zhì)試驗(yàn)，把C和ε的乘積求出，再去除以流出系數(shù)即可得到可膨脹系數(shù)。本課題中并沒(méi)有直接引用他們的擬合公式，而是采用天津大學(xué)徐英教授所擬合出來(lái)的公式，其擬合公式如下［8］:

式中:β為等效直徑比;ΔP為差壓值，Pa;k為等熵指數(shù)，空氣的等熵指數(shù)為1;P1為靜壓值，Pa。

1.2 溫壓補(bǔ)償

在工況下測(cè)量氣體質(zhì)量流量時(shí)，由于易受溫度、壓力的影響導(dǎo)致其偏離理想的工作狀態(tài)，最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。所以，在測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量時(shí)必須輔以溫、壓補(bǔ)償［9］。

1.2.1 過(guò)熱蒸汽質(zhì)量流量的溫、壓補(bǔ)償

在智能V錐流量中對(duì)于過(guò)熱蒸汽來(lái)說(shuō)，其補(bǔ)償有兩種方案。一種方案是查表差值法。由于過(guò)熱蒸汽的密度是壓力P和溫度T的二元函數(shù)，因此其密度表很大，存放這個(gè)密度表需要占用很大的存儲(chǔ)空間。另外，二元函數(shù)的插值也不簡(jiǎn)單。所以，雖然查表法能夠做到很高的補(bǔ)償精度，卻不受人們的喜歡。另一種方案是公式補(bǔ)償法。

可采用如下密度補(bǔ)償公式:式中:T為過(guò)熱蒸汽的溫度，℃;p為過(guò)熱蒸汽的絕壓，MPa;a=0.004 71;b=10.197;c=1.033 6; d=1.32×10-5;e=0.0097。

圖3 過(guò)熱蒸汽質(zhì)量流量的溫壓補(bǔ)償

1.2.2 飽和蒸汽質(zhì)量流量的溫壓補(bǔ)償

飽和蒸汽是汽、液兩相流共存而保持平衡狀態(tài)的一種蒸汽。當(dāng)外界條件改變時(shí)，它會(huì)從汽態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化，或從液態(tài)向汽態(tài)轉(zhuǎn)化。對(duì)于飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，其密度與溫度、壓力是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可采用溫度補(bǔ)償密度法，也可以采用壓力補(bǔ)償密度法［10］。

溫度補(bǔ)償可用如下補(bǔ)償公式:

式中:T為飽和蒸汽的溫度，℃;A=1.0448×10-2;B =1.05303×10-3;C=5.04662×10-5;D=5.87525 ×10-8。

圖4 飽和蒸汽質(zhì)量流量的溫度補(bǔ)償

該公式的使用范圍為100℃ ～200℃，根據(jù)計(jì)算，利用補(bǔ)償公式得到的密度值補(bǔ)償精度高，與查表法的相對(duì)誤差小于0.15%。

蒸汽與壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的，但是在壓力變化的一定范圍內(nèi)，可以線性化，也就是說(shuō)分段線性擬合。

下面給出的是壓力在0.38 MPa～2.41 MPa變化范圍內(nèi)的壓力密度補(bǔ)償擬合公式:

式中:p為飽和蒸汽的絕對(duì)壓力，MPa。因此可以得到壓力自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)流量公式:

圖5 飽和蒸汽質(zhì)量流量的壓力補(bǔ)償

2 硬件電路的設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

V錐流量計(jì)硬件電路的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，此系統(tǒng)具有3個(gè)傳感器，分別對(duì)溫度、差壓、絕壓進(jìn)行檢測(cè)，再進(jìn)過(guò)調(diào)理電路變?yōu)殡娦盘?hào)，并交由A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果交由CPU按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果通過(guò)12864液晶顯示出來(lái)。本硬件電路的設(shè)計(jì)是基于易用性、抗干擾和低功耗等方面出發(fā)。對(duì)于流量計(jì)來(lái)說(shuō)，要使其正常工作就必須根據(jù)工況注入各種參數(shù)，目前大多數(shù)流量計(jì)都是利用按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的，設(shè)置流程比較復(fù)雜。在本課題中將流量計(jì)的參數(shù)分為基本參數(shù)和高級(jí)參數(shù)，基本參數(shù)通過(guò)按鍵模塊經(jīng)行設(shè)置，而對(duì)于高級(jí)參數(shù)來(lái)說(shuō)則是廠家或者技術(shù)人員通過(guò)上位機(jī)對(duì)于對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。

圖6 硬件電路的基本結(jié)構(gòu)

本課題采用MSP430F4794單片機(jī)為CPU，該單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于儀器儀表行業(yè)，具有豐富的片內(nèi)外圍，集成了16 bit的SD16_A模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器，性價(jià)比很高，內(nèi)部還具有60 kbyte+256BFLASH模塊。低電壓(1.8 V～3.6 V)、低工作電流(在1 MHz時(shí)為0.1μA～400μA)具有5種省電模式［11］。在此系統(tǒng)中用到的A/D模塊就是3個(gè)片內(nèi)的SD16_ A模塊，對(duì)于存儲(chǔ)模塊用到的是內(nèi)部的Flash模塊。本電路的設(shè)計(jì)減少的元件的個(gè)數(shù)，從而可以達(dá)到降低功耗的目的。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

MSP430F4794的端口設(shè)置以及變量數(shù)據(jù)的初始化［12-13］。軟件初始化如下:

(1)時(shí)鐘以及定時(shí)器的初始化

(2)I/O端口的初始化

(3)SD16_A的初始化

(4)內(nèi)部FLASH的初始化

(5)12864液晶顯示的初始化

(6)中斷配置

(7)按鍵模塊配置

主程序循環(huán):

(1)啟動(dòng)SD16_A，每4 s采集一次差壓，每16 s采集一次溫度、壓力值，并對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

(2)每0.01 s喂一次內(nèi)部看門(mén)狗，防止程序跑飛。

(3)每0.1 s掃描一次按鍵，每0.5 s刷新一次顯示頁(yè)面。

其流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 電路板實(shí)物圖以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 電路板實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的電路板實(shí)物圖如圖8～圖10所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

本課題是與福建上潤(rùn)精密儀器有限公司合作的項(xiàng)目，表1是我在上潤(rùn)公式提供的測(cè)量?jī)x表利用標(biāo)準(zhǔn)表法所測(cè)的數(shù)據(jù)，測(cè)量介質(zhì)為水。

圖9 信號(hào)處理部分電路實(shí)物圖

圖8 調(diào)理電路部分實(shí)物圖

圖10 顯示部分實(shí)物圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)表法檢測(cè)被檢表數(shù)據(jù)

由表1可知，其重復(fù)性為0.177%，示值誤差為0.140%，儀表準(zhǔn)確度達(dá)到0.2級(jí)，滿足實(shí)際測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于V形內(nèi)錐節(jié)流式智能流量計(jì)是一種功能強(qiáng)大、具有良好發(fā)展前景的差壓式流量計(jì)。與傳統(tǒng)的V錐流量計(jì)相比，具有長(zhǎng)期精度高、穩(wěn)定性好、受安裝條件局限小、耐磨損、測(cè)量范圍寬、壓損小等優(yōu)點(diǎn)。此V錐流量計(jì)除了可以實(shí)現(xiàn)差壓、溫度、壓力、流量的測(cè)量之外，還可以通過(guò)對(duì)溫度、壓力的測(cè)量對(duì)流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，這樣可以大大提高其測(cè)量精度。

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Research of the Intelligent V-Cone Flowermeter*

LINWei*，XU Lin
(Fuzhou University，F(xiàn)ujian Key Laboratory of Microelectronics and Integrated Circuits，F(xiàn)uzhou 350002，China)

This intelligent V-cone flowmeterwith MSP430F4794 as the core control is designed.Differential pressure signal，press signal and temperature signal are changed to electric signal by their signal conditioning circuits after their sensors.Electric signal becomes digital signal by the internal SD16_A module of MSP430F4794，then liquid crystal display results after the processing of CPU on the basic of Temperature and pressure compensation of steam，accuracy of the flowmeter can reach 0.2%.The design established the IDCB of the throttleing device of V-cone and overcomes the disadivantages of traditional instrument for example the low accuracy，the large loss of pressure.

V-cone flowmeter;sensors;MSP430F4794;temperature and pressure compensate density

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.005

TH81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0017-05

項(xiàng)目來(lái)源:福州大學(xué)?；?022446)

2013-04-11修改日期:2013-05-08

EEACC:7320W

林 偉(1968-)，男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主持和參加了12項(xiàng)科研項(xiàng)目，主要有:“平板顯示驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)”、“數(shù)字調(diào)諧芯片的研制”等。先后在國(guó)內(nèi)外專業(yè)雜志發(fā)表了46篇論文，其中6篇為EI收錄;

徐 林(1989-)，男，漢族，安徽望江人，福州大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)從事集成電路、嵌入式方面研究，xulin308@ 126.com。