0 引言
差壓式流量計是一類應(yīng)用比較成熟的流量計，其中，節(jié)流式差壓流量計應(yīng)用最廣泛，它適用于所有單相流體包括液、氣、蒸汽和部分混相流體如氣固、氣液、液固的測量。傳統(tǒng)的節(jié)流件多采用孔板或噴嘴，流動分離嚴重。而南京航空航天大學明曉教授發(fā)明的槽道流量計[1]采用紡錘體節(jié)流件，具有良好的低阻外形，可以很好地調(diào)整流動和保持流動穩(wěn)定，而且完全避免了流動分離，使得測量重復性和準確度得到進一步提高，同時顯著減少了壓力損失。這就為復雜環(huán)境下構(gòu)建高精度的可靠性流量檢測系統(tǒng)提供了一個新的選擇。同時，由于流體計量十分復雜，受到壓力、溫度、密度、壓縮系數(shù)、黏性系數(shù)及可膨脹系數(shù)等復雜因素的影響，其準確性、通用性等方面仍存在著一定的缺陷，因此，基于以上各種因素，在帶有紡錘體節(jié)流件的差壓式槽道流量計模型的基礎(chǔ)上，提出了采用軟硬件聯(lián)合補償?shù)姆绞綄ζ溥M行完全參數(shù)補償?shù)难芯糠桨浮?/p>
1 軟硬件結(jié)合的完全參數(shù)補償方案
差壓式槽道流量計是利用伯努利能量守恒方程原理設(shè)計的，該流量計流量計量的數(shù)學模型可表示為
式中：Qm為質(zhì)量流量；QVN為標況體積流量；K為量系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；D為測量管內(nèi)徑；Δp為差壓；ρn為被測流體的標況密度；ρ為被測流體的工況密度。
對于不同的流體，由于組分的不同或者組分比例的不同，其各參數(shù)也不相同，這就決定了要想提高槽道流量檢測系統(tǒng)的精度：一方面要從硬件上對各傳感器的信號予以補償以保證得到可靠、準確的數(shù)據(jù)；另一方面要對影響流量測量的其他可變因素進行有效的補償。另外，針對目前差壓流量計通用性差的缺陷，可對天然氣、高爐煤氣、過熱蒸汽、液化天然氣、液化石油氣、一般氣體、水、石油、一般液體分別進行相應(yīng)的軟件補償，使其通用性明顯提高。
2 硬件補償
系統(tǒng)硬件部分采用工業(yè)生產(chǎn)中十分常見的AT89C52，輔以鍵盤、LCD構(gòu)成便捷的人機交換接口，實現(xiàn)多界面、多參數(shù)的選擇與修改。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用低成本、低功耗、高精度的三通道16位Δ-Σ型AD7707轉(zhuǎn)換電路，由于實際工作現(xiàn)場中常用的檢測平臺主要是基于RS-485協(xié)議和4~20mA電流環(huán)信號，因此，通信模塊中分別采用了支持RS-485通信協(xié)議的MAX485電路和支持4~20mA電流傳輸?shù)腁D5422電路，從而使系統(tǒng)的用戶充分利用現(xiàn)有資源，節(jié)約成本。為了進一步提高可靠性，采用單獨的AC-DC模塊對系統(tǒng)供電。其具體的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
對槽道式流量計來說，從傳感器獲得的介質(zhì)溫度、差壓、絕壓、環(huán)境溫度這幾個參數(shù)的準確性直接影響著流量計的精確度。而在現(xiàn)場中，這幾路信號一般都疊加了高頻信號并有一定的漂移，因此，提出首先通過硬件分別對各信號的采集進行相應(yīng)補償，以提高可靠性和準確性。其中對介質(zhì)溫度和差壓信號的補償尤為重要。
圖1 智能槽道流量計硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.1 介質(zhì)溫度信號的采集與補償
介質(zhì)溫度的采集采用工業(yè)中常用的Pt100，測量熱電阻的電路是不平衡電橋，熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導線也是橋臂電阻的一部分，這部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度而變化，由于熱電阻本身的電阻值很小，所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。一般而言，為了消除誤差，測量電阻的引線大都采用三線制接線方式。但三線制中，熱電阻始終接在電路中，流過電流的熱電阻會產(chǎn)生熱量，也會使電阻值發(fā)生變化，造成測量的誤差，這個誤差是不能消除的。因此，提出采用一種可以更好消除誤差的四線制方式。
四線制如圖2所示，接線時電流回路和電壓測量回路獨立分開，為了減小電阻本身發(fā)熱造成的誤差，采用了小電流恒流源，保證流經(jīng)傳感器的電流恒定，經(jīng)差分放大，使得
式中：K為放大倍數(shù)；R為傳感器零點值；A為常數(shù)；T為溫度值。從而使介質(zhì)溫度的測量與引線電阻無關(guān)，實現(xiàn)十分精確的補償。
圖2 四線制原理圖
2.2 差壓信號的采集與補償
為了提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素（如電源電壓、環(huán)境溫度等）對測量結(jié)果的影響，差壓信號的測量采用差動式電容傳感器。差壓信號測量補償電路包括方波發(fā)生電路、整形電路和電容-電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。
圖3 差壓測量補償電路
該差壓測量補償電路結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，完全可以放入法蘭內(nèi)部，最大限度地縮短了電容引線，減少了對分布電容的影響，但激勵信號的周期、幅值對測量值有直接的影響，應(yīng)保持穩(wěn)定。
2.3 信號隔離電路
為了隔離現(xiàn)場干擾、抑制噪聲、提高采集信號的可靠性，在各信號的采集中加入了電路隔離模塊。一般傳統(tǒng)的信號隔離方法有2種：互感隔離的方式；先A/D轉(zhuǎn)換，再光耦隔離，最后D/A轉(zhuǎn)換的方式。兩者都有一定的缺陷，前者精度低、體積大，后者精度取決于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其位數(shù)，并且電路復雜。鑒于以上隔離方式的缺陷，提出利用模擬電路原理，采用獨特的調(diào)制電路和解調(diào)電路來實現(xiàn)信號的隔離。具體隔離電路如圖4所示，電路中巧妙地利用開關(guān)三極管T1截止、飽和導通兩種工作狀態(tài)的交替，使兩個光耦4N36處于開、關(guān)的狀態(tài)，制造出振蕩現(xiàn)象，從而實現(xiàn)采集信號的調(diào)制與解調(diào)，達到高精度下信號隔離的目的。
圖4 信號隔離電路
3 軟件補償
軟件補償是實現(xiàn)高精度流量檢測的一個重要因素，采用縱向橫向相結(jié)合的方式對流量測量進行補償，橫向上按照不同流體介質(zhì)的不同補償模型予以補償，縱向上針對影響流量測量精度的流體參數(shù)分別實施補償。在實際的補償過程中，縱向的補償又穿插在橫向補償?shù)倪^程中，從而大大提高了流量計的測量精度和通用性。
3.1 密度補償
流量積算過程中，現(xiàn)場溫度和壓力是經(jīng)常變化的，有時溫度、壓力偏離設(shè)計值很小，引起密度變化的范圍卻很大，由此造成的流量測量誤差可能超過允許的范圍，所以工業(yè)現(xiàn)場中要想測量準確的流量值，密度補償是一個重要的因素。由于流量測量的對象范圍很廣，有單組分的也有多組分的，這就決定了密度補償?shù)姆椒ㄒ哺鞑幌嗤?/p>
3.1.1 單組分流體的密度補償
對于單組分的流體，如過熱蒸汽、水、液氨等單純使用查表法時，由于要把實驗所需介質(zhì)的溫度、壓力與密度列成表全部存入ROM中，占用空間太大，嚴重限制了工程應(yīng)用。針對這一缺陷，提出采用查表法與插值法相結(jié)合的方法，在提高密度補償精度的同時，又大大地節(jié)省了存儲空間。
以過熱蒸汽為例。在文獻[4]中提供了大約1000個數(shù)據(jù)的密度表，考慮到MCU的處理能力、存儲容量和系統(tǒng)精度的要求，采用二元三點插值法進行密度的補償，溫度以20°C為間隔，壓力分別以0.03MPa、1.5MPa、4MPa等不等間隔對密度表進行存儲，由此定義了一個二維數(shù)組d[][]，行表示壓力值，列表示溫度值。如果測得的實際溫度和實際壓力恰好是此區(qū)間值，可立即查出相應(yīng)的密度值；如果不是這些區(qū)間值，則要進行插值處理。從給定的m´n個結(jié)點中，選取最靠近插值點（T，P）的相鄰3´2個結(jié)點，x方向（壓力）應(yīng)用不等距拉格朗日三點插值公式，y方向（溫度）應(yīng)用等距拉格朗日三點插值公式，對列表函數(shù)進行插值。
（1）插值結(jié)點的選擇：給定m´n個結(jié)點（Xi，Yj）及對應(yīng)函數(shù)值（Xi，Yj）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），計算插值點上的函數(shù)值f（X，Y）時，必須選擇包含插值點（X，Y）最近的6個結(jié)點，其數(shù)學模型如下：
X向結(jié)點選取如下：
Y向結(jié)點選取如下：
（2）三點插值模型如下：
不等距三點插值為
若插值區(qū)間[a，b]被等分為n-1個區(qū)間，結(jié)點數(shù)為n，則等距拉格朗日三點插值為
（6）
式中：
最后，通過查表和插值結(jié)合所得值即為現(xiàn)場實時壓力和溫度下介質(zhì)所對應(yīng)的密度，由此可見，對于單組分的流體介質(zhì)，用以上方法可以很好地實現(xiàn)介質(zhì)的密度補償。
3.1.2 多組分流體的密度補償
對于多組分的流體，如天然氣、高爐煤氣、石油、液化天然氣等，它們有組分比例恒定和組分比例變化2種情況，但其補償原理從根本上是一致的。其中，天然氣組分更為復雜，并且各油氣田出產(chǎn)的天然氣各組分的比例也各不相同。以組分復雜且各組分比例變化的天然氣為例，進行流體密度的補償。天然氣密度的補償，主要是受壓力、溫度、各組分比例以及壓縮系數(shù)的影響。其數(shù)學模型如下：
式中：ρ為工作狀態(tài)下天然氣密度；Ma為干空氣的分子量；Za為標況下干空氣的壓縮系數(shù)；Zn為標況下天然氣的壓縮系數(shù)；Gr為標況下天然氣的相對密度；R為通用氣體常數(shù)；p為工作壓力；
為天然氣j組分的求和因子；XH為天然氣中氫氣含量的摩爾分數(shù)；Gii為天然氣的理想相對密度；Xj為天然氣j組分的摩爾分數(shù)；Gij為天然氣j組分的理想相對密度；n為天然氣組分總數(shù)；T為工作溫度；Z為工況下的氣體壓縮系數(shù)。
通常情況下，在其密度補償過程中首先要進行壓縮系數(shù)的補償。對于壓縮系數(shù)，在絕壓以8963MPa和1379MPa為分界點的條件下，其數(shù)學補償模型均為Z=（Mn，MC）的函數(shù)關(guān)系，其中MC，Mn分別為二氧化氮和氮氣的摩爾分數(shù)。因此在補償過程中可以通過計算法和公式法對其進行補償。對于天然氣各組分的相對密度Gij和求和因子可以通過查表法進行軟件補償。從而實現(xiàn)多組分流體的密度補償。
3.2 其他參數(shù)的補償
在流量計量的補償中，還有其他參數(shù)，如黏性系數(shù)、可膨脹系數(shù)的補償?shù)?，其中可膨脹系?shù)ε是對流量系數(shù)在可壓縮性流體中密度變化的修正，對于不可壓縮流體，ε通常取1。對于給定的節(jié)流裝置，ε只取決于差壓、絕壓和等熵指數(shù)。等熵指數(shù)的補償可利用等距拉格朗日三點插值法和查表法結(jié)合的方式對其數(shù)學模型中的比熱容比進行相應(yīng)補償，從而實現(xiàn)等熵指數(shù)和可膨脹系數(shù)的精確補償。
對于黏性系數(shù)的補償，文獻[4]提供了相應(yīng)參數(shù)表，因此可以得出黏性系數(shù)的數(shù)學補償模型是關(guān)于參數(shù)X、Y的函數(shù)關(guān)系。即黏性系數(shù)μ=μ（X，Y），其中參數(shù)X、Y可以用數(shù)組的方式予以存儲，再通過查表法和計算法實現(xiàn)軟件上的補償。整個系統(tǒng)軟件補償?shù)牧鞒倘鐖D5所示。
圖5 系統(tǒng)軟件補償?shù)牧鞒虉D
4 實驗及結(jié)論
設(shè)計完成后進行了相關(guān)的測試實驗，實現(xiàn)了參數(shù)補償、環(huán)境參數(shù)檢測、瞬時流量及累積流量計算、LCD顯示、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲、遠程通訊與控制等功能，并針對水、天然氣等分別進行了相關(guān)實驗調(diào)試，其中，水在不同條件下的瞬時流量實驗數(shù)據(jù)如表1所示，實驗結(jié)果表明經(jīng)過軟硬件聯(lián)合補償?shù)牟鄣懒髁繖z測系統(tǒng)精度有了明顯提高，一般可達0.3%~0.5%。但對于特殊介質(zhì)仍然具有一定的誤差，需進一步提高。
參考文獻：
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[3]鐘偉，明曉.紡錘體流量計的流場數(shù)值模擬.計量學報，2007，28（3）：262-265.
[4]孫淮清，王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊，北京：化學工業(yè)出版社，2005.
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