2010級(jí)研究生答辯報(bào)告燃?xì)饬髁坑?jì)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置的研制目錄裝置研制的背景和意義一

超聲波流量計(jì)測(cè)量原理二檢定裝置的整體設(shè)計(jì)

三

軟件和硬件設(shè)計(jì)四

裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理五結(jié)論和展望六六一裝置研究的背景和意義返回目錄1.課題研究的背景和意義

隨著燃?xì)馐褂玫牟粩嗤茝V，氣體流量計(jì)的使用也越來(lái)越多。為了保證氣體流量計(jì)的正常工作，需要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn)，通常將氣體流量計(jì)拆卸下來(lái)送到檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，需要3~10天時(shí)間，而工業(yè)上往往要求燃?xì)饽軌蜻B續(xù)供應(yīng)，將氣體流量計(jì)拆卸下來(lái)送到檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，不僅耽誤正常供氣，還會(huì)因?yàn)橛?jì)量誤差而產(chǎn)生糾紛，所以急需研制一套能夠適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)狀的流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置。對(duì)計(jì)量機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可以將某個(gè)地區(qū)的流量計(jì)檢定周期統(tǒng)一起來(lái)，集中進(jìn)行檢定，防止漏檢、重檢，節(jié)省人力和時(shí)間。2.研究現(xiàn)狀（1）國(guó)際現(xiàn)狀。加拿大輸氣校驗(yàn)公司研制出天然氣校驗(yàn)裝置，精度可達(dá)1.5%；美國(guó)的康樂(lè)創(chuàng)、德國(guó)的E+H公司和荷蘭的公司也相繼開(kāi)發(fā)出利用超聲波對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。（2）國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀。我國(guó)在國(guó)家原油大流量計(jì)量站和大慶油田建立了移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴裝置，可用來(lái)在線檢定氣體超聲流量計(jì)、文丘里流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)等，由于該裝置運(yùn)行成本高，檢定費(fèi)用高昂，所以目前主要用于在線檢定大口徑流量計(jì)。3.本裝置研究的必要性和預(yù)期目標(biāo)：

雖然氣體流量計(jì)在線檢定在我國(guó)一些大型管道上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，管道內(nèi)部壓力較低（低于0.7MPa），現(xiàn)有的裝置不能滿足低壓環(huán)境下測(cè)量的要求。本課題預(yù)計(jì)完成的技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量的介質(zhì)范圍：天然氣、空氣流速范圍：（0.5~30）m/s使用壓力下限：0.6MPa擴(kuò)展不確定度要求現(xiàn)場(chǎng)條件下：1.0%k=2(帶有標(biāo)準(zhǔn)直管段時(shí))，實(shí)驗(yàn)室條件：0.5%k=2二超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理精確度高，但代價(jià)高方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度低固體顆粒、懸浮物

流速低時(shí)，降低靈敏度時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理ABθLvD超聲波流量計(jì)測(cè)量原理示意圖

超聲波順流傳播時(shí)間：

超聲波逆流傳播時(shí)間：

則超聲波沿管道順流和逆流的傳播時(shí)間差為：

由于c>>v,得到

D為管道內(nèi)徑；L為超聲波傳播距離；θ為換能器與超聲波波束夾角；V為管道中介質(zhì)橫向速度；三現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置的整體設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置原理圖雙聲道超聲波換能器安裝專用座標(biāo)準(zhǔn)管段信息采集器電腦終端被檢流量計(jì)管網(wǎng)超聲波流量計(jì)輸出1.標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的安裝步驟：收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選擇合適的變送器和換能器安裝位置對(duì)安裝換能器管道表面處理進(jìn)入安裝菜單收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立現(xiàn)場(chǎng)輸入管道參數(shù)輸入管道介質(zhì)參數(shù)調(diào)用換能器安裝程序?qū)Q能器與變送器連接對(duì)安裝的換能器進(jìn)行自檢，調(diào)節(jié)信號(hào)Z型安裝方式V型安裝方式X型安裝方式

2.

換能器安裝方式選擇及示意圖

換能器在管道上的安裝方式根據(jù)換能器之間的相對(duì)位置和夾角的不同可以分為直射式（Z型）、反射式（V型）和X型安裝方式。換能器安裝方式的一般原則：對(duì)換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法；當(dāng)流動(dòng)方向與管軸不平行或管路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來(lái)克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。另外，Z法安裝適合管道內(nèi)部信號(hào)衰減較大情況下對(duì)流量的測(cè)量。3.影響超聲波測(cè)量精度的因素及解決方法

a、換能器安裝位置：（1）安裝點(diǎn)上游直管段要選擇大于10D，下游大于5D

（D為管道內(nèi)徑）；（2）上游距氣體源的距離應(yīng)至少有30D；（3）不要將換能器安裝在焊縫處等。b、直管段長(zhǎng)度:（1）不需安裝整流器時(shí)，多聲道超聲波流量計(jì)上游的最短直管段長(zhǎng)度應(yīng)10D，下游最短直管段長(zhǎng)度應(yīng)為5D；（2）如果使用整流器，則整流器的安裝位置及相應(yīng)的配管長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)生廠商提供的安裝要求。c、管道材質(zhì)及參數(shù)：當(dāng)管道內(nèi)壓力較低時(shí)，使用金屬管道容易產(chǎn)生對(duì)超聲波信號(hào)干擾的噪聲，導(dǎo)致?lián)Q能器不能很好的發(fā)送和接收到超聲波信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，選擇PVC管作為實(shí)驗(yàn)管道。d、管道耦合劑除了專用的耦合劑外，黃油、孔板密封脂、國(guó)產(chǎn)超聲波測(cè)厚儀耦合劑也都可以作為實(shí)驗(yàn)所用耦合劑，但通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有黃油代替專用耦合劑時(shí)，幾乎不影響測(cè)量結(jié)果。四

檢定裝置的軟件和硬件設(shè)計(jì)1.硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置硬件原理圖EPM1270144TC5NCPLDUSB控制芯片AD7321轉(zhuǎn)換模塊計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)超聲波流量計(jì)模擬量輸出第一部分主要是超聲波信號(hào)處理部分；第二部分主要是信號(hào)轉(zhuǎn)換部分；第三部分是人機(jī)接口電路超聲波流量計(jì)輸出為4~20mA模擬電流信號(hào)，該信號(hào)與流量信號(hào)呈線性關(guān)系。將電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸出電壓信號(hào)為±10、±5V、

±2.5V和0~10V，與流量同樣呈線性比例關(guān)系。根據(jù)通過(guò)USB接口輸入到電腦上的電壓信號(hào)就可以換算成流量信號(hào)?？刂艫D轉(zhuǎn)換的時(shí)間和采樣頻率就能夠設(shè)置檢定的點(diǎn)數(shù)和時(shí)間間隔。

由于CPLD芯片編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子電路中。本課題利用Altera公司的EPM1270T144芯片，與傳統(tǒng)的CPLD相比，可提供更多的邏輯資源和IO口，同時(shí)又有更低的功耗。該芯片包含116個(gè)用戶可用IO，可以連接外復(fù)位電路、MCU接口電路等，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的可編程邏輯控制功能。核心芯片CPLD特點(diǎn)3~5伏電壓轉(zhuǎn)換器復(fù)位電路電源電路

超聲波流量計(jì)輸出的模擬信號(hào)通過(guò)放大電路來(lái)對(duì)其進(jìn)行放大，本裝置中的信號(hào)轉(zhuǎn)換需要較高的精度且能夠滿足實(shí)時(shí)檢定要求，信號(hào)放大芯片選擇的是ADI公司的8251。放大器芯片AD8251AD轉(zhuǎn)換芯片及特點(diǎn):裝置中的A/D轉(zhuǎn)換利用了AD7321轉(zhuǎn)換器，AD7321是一款雙通道、12位帶符號(hào)位的逐次逼近型ADC。該ADC配有一個(gè)高速串行接口，最高吞吐量可500ksps。（1）AD7321的轉(zhuǎn)換精度：12位有效位，第13位為符號(hào)位（2）采樣速率為：500KHz（2微秒/點(diǎn)）（3）測(cè)量精度：0.1%（4）

AD7321可輸入真雙極性模擬信號(hào)，±10、±5V、±2.5V信號(hào)。流量測(cè)量模塊設(shè)置檢定點(diǎn)數(shù)N定時(shí)中斷打開(kāi)關(guān)閉中斷采集夠N點(diǎn)否？計(jì)算流量、誤差結(jié)束，返回初始化結(jié)束？YNYN啟動(dòng)電源對(duì)采集模塊數(shù)據(jù)初始化啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換YNA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？指向下一個(gè)緩沖區(qū)是否采集夠點(diǎn)數(shù)延時(shí)，繼續(xù)下一個(gè)計(jì)算結(jié)果YN延時(shí)2.軟件設(shè)計(jì)1、超聲波流量計(jì)計(jì)量特點(diǎn)（1）寬束（Wide-BeamTM）技術(shù)。它使信號(hào)在管道中傳輸時(shí)不會(huì)失真使聲發(fā)射面的有效長(zhǎng)度大于實(shí)際換能器的尺寸，在檢定過(guò)程中能夠更方便的采集到信號(hào)，同時(shí)還可以減小高速流體造成的聲束偏移的影響。（2）自動(dòng)調(diào)零。超聲波流量計(jì)能夠通過(guò)計(jì)算上下游信號(hào)時(shí)間差，計(jì)算出超聲波信號(hào)的零漂大小，自動(dòng)連續(xù)的消除零漂，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校零。五現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理任何一個(gè)檢定裝置能否作為標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行檢定，都需要更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行判斷。因此，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)之前，首先將超聲波流量計(jì)作為被檢裝置，把實(shí)驗(yàn)室音速噴嘴裝置作為標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行檢定，滿足檢定規(guī)程所給出的誤差要求時(shí)，才能作為標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定。以下分別為實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果和處理過(guò)程：2、實(shí)驗(yàn)誤差和不確定度處理

a實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)處理

每完成一次檢定時(shí)儀表系數(shù)計(jì)算公式：

每個(gè)流量點(diǎn)的k系數(shù)為：

Kij——第i個(gè)點(diǎn)第j次檢定所得系數(shù)k,1／m3；Nij——第i個(gè)點(diǎn)第j次檢定所得被檢表脈沖數(shù)；qVij——第i個(gè)點(diǎn)第j次檢定的體積流量，m3/h;Δtij——第i個(gè)點(diǎn)第j次檢定的時(shí)間，s檢定前輸入儀表檢定系數(shù)為km，則流量計(jì)的相對(duì)示值誤差EL為：

流量點(diǎn)平均脈沖30m314748.5260m329716.6120m359633.69240m3118868.3600m3291467.3流量計(jì)的基本誤差E：

流量計(jì)的重復(fù)性：

平均系數(shù)重復(fù)性11752.120.34%11874.440.05%11919.90.12%11932.450.35%11982.450.14%記錄時(shí)間外夾流量計(jì)瞬時(shí)量（m3）記錄時(shí)間外夾流量計(jì)瞬時(shí)量（m3）

12:02:302.1212:04:102.0712:02:402.1812:04:202.1912:02:502.1512:04:302.1112:03:002.0712:04:402.0612:03:102.0812:04:502.1312:03:202.0812:05:002.2112:03:302.1312:05:102.1012:03:402.1212:05:202.1112:03:502.0612:05:302.0912:04:002.11記錄時(shí)間外夾流量計(jì)瞬時(shí)量（m3）記錄時(shí)間外夾流量計(jì)瞬時(shí)量（m3）

16:05:302.0916:07:102.0916:05:402.1116:07:202.0716:05:502.1016:07:302.0916:06:002.0816:07:402.1316:06:102.1216:07:502.1016:06:202.0816:08:002.1216:06:302.0916:08:102.0916:06:402.0916:08:202.1116:06:502.1216:08:302.1216:07:002.10現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理：兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)分別記錄流量計(jì)的瞬時(shí)流量時(shí)間被檢表示值測(cè)定時(shí)間內(nèi)累積量12:02:305120317.9212:02:30-12:05:305120687.26369.3416:05:305148326.6216:05:30-16:08:305148697.54370.92實(shí)驗(yàn)裝置的不確定度計(jì)算：

如果將三個(gè)不確定度等分，且對(duì)于壓力和溫度變送器系數(shù)k=3，測(cè)量流量不確定度系數(shù)k=2。計(jì)算得到:

Urel(P)=Urel(T)=0.648%,Urel(Qsi)=0.432%。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)來(lái)說(shuō)，上述的不確定度很難實(shí)現(xiàn)。所以得到標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的擴(kuò)展不確定度為：

前兩節(jié)所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差（0.48%）均在該范圍內(nèi)，證明該裝置可以作為標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。為了不影響測(cè)量精度并且使裝置易于實(shí)現(xiàn)，可以將測(cè)量不確定度分成三個(gè)不等部分：則六

結(jié)論