一種智能流量測控儀的開發(fā)

彭國勛，鄒強(qiáng)強(qiáng)，陳緒龍

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們測量流量的工具在不斷地進(jìn)步，流量測量技術(shù)也在不斷地發(fā)展成熟。而人們在測量流量的同時，往往還需要控制流量（流速）的大小。傳統(tǒng)的流量計(jì)量儀表流量計(jì)和控制閥是分開的，流量計(jì)讀取流量值，控制閥人工調(diào)節(jié)流量的大小，但這樣會造成效率低下和誤差增大。結(jié)合流量測量和自動化控制技術(shù)，將流量計(jì)和測控閥重新組合，實(shí)現(xiàn)流量的測量和自動控制功能，成為近年來流量測量領(lǐng)域一場重大技術(shù)革新，智能流量測控儀將成為這個領(lǐng)域發(fā)展的方向。針對流量測量向自動化發(fā)展的趨勢，本文提出了一種流量測量和自動控制為一體的智能流量測控儀，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可以很好地實(shí)現(xiàn)其功能。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 工作原理

智能流量測控儀將流量計(jì)和流量控制閥組合使用，形成負(fù)反饋系統(tǒng)，當(dāng)流量計(jì)檢測到的流量大于或小于設(shè)定值時，流量計(jì)內(nèi)的單片機(jī)就會發(fā)出指令，調(diào)節(jié)測控閥的開度，使流量等于設(shè)定值。如圖1 采用安裝在流體管道上的流量變送器，將檢測到的流量信號變送到流量積算與控制單元，該單元將收到的流量信號與設(shè)定瞬時流量進(jìn)行比較的方法，得出“正偏差”、“負(fù)偏差”或“零偏差”，根據(jù)偏差的性質(zhì)與變化趨勢，該單元向電動執(zhí)行器發(fā)出“關(guān)”、“開”或“停”的指令，從而調(diào)節(jié)流量，使之穩(wěn)定在設(shè)定值上。另外可選配溫度、壓力等傳感器與無線遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控管理系統(tǒng)。

圖1 智能流量測控儀工作原理

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能流量測控儀主要由流量變送器、流量控制閥、電動執(zhí)行器、流量積算與控制單元4 部分組成，根據(jù)用戶的安裝要求，流量測控儀中流量變送器、流量調(diào)控閥分為4種常用的組合型式：直角一體式測控儀、水平一體式測控儀、直角分體式測控儀、水平分體式測控儀。

2 流量控制閥的設(shè)計(jì)

2.1 閥芯設(shè)計(jì)

流量控制閥是用來調(diào)節(jié)流體流量大小的裝置，通常由殼體和閥芯組成。閥芯上具有兩個月牙形的圓孔，靜閥芯固定在殼體上，動閥芯通過銷釘與閥桿相連并隨閥桿轉(zhuǎn)動，動、靜閥芯緊密接觸且能相對運(yùn)動，如圖2。當(dāng)閥門完全關(guān)閉時，靜閥片和動閥片上的斜孔正處于相向位置，而后隨著閥桿的轉(zhuǎn)動，靜動閥片之間就形成了能任意變化的兩支月牙形流道，從而通過改變介質(zhì)的流通截面積來調(diào)節(jié)流量。閥門從關(guān)閉至全開狀態(tài)整個調(diào)節(jié)過程，只需手柄旋轉(zhuǎn)90°（即1/4 圈）即可實(shí)現(xiàn)。

圖2 流量控制閥的閥芯

2.2 設(shè)計(jì)時應(yīng)注意的問題。

1）密封問題。靜閥芯、動閥芯應(yīng)保證緊密接觸，兩平面平行，防止液體從兩閥芯平面滲出；下閥芯與殼體接觸，通常殼體內(nèi)表面加工精度不高，下閥芯與殼體接觸處應(yīng)加密封圈，防止流體壓力過高時液體側(cè)漏，影響流量測量的精度。

2）加工精度。應(yīng)保證重要配合面的加工精度，如靜閥芯上平面、動閥芯下平面和閥桿的外表面，都會產(chǎn)生相對運(yùn)動，應(yīng)保證合適的粗糙度、尺寸精度、平行度、垂直度等。例如口徑50 mm，壓力為32 MPa，流量為0.4～10 m3/h的壓力管道靜閥芯上平面、動閥芯下平面粗糙度為Ra0.1，閥桿的外表面粗糙度為Ra0.8。

3）材料選擇。材料的選擇應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。閥芯材料應(yīng)選擇硬度和耐磨性較高的材料，例如9Cr18Mo 淬火后具有較高的硬度和耐磨性，可作為閥芯的材料，閥桿則選擇304 不銹鋼，在保證強(qiáng)度的同時防止生銹。

4）加工工序。由于閥芯要進(jìn)行淬火，淬火后有熱變形，所以閥芯的合理加工工序?yàn)闄C(jī)床加工，線切割，淬火，磨削。

5）裝配。裝配前要對流量控制閥的流道去毛刺，然后對通道進(jìn)行清潔，以保證閥芯能水平放入殼體內(nèi)。

2.3 執(zhí)行器的選用

采用天津盛凱達(dá)SKD-10型執(zhí)行器，最大可輸出100 N·m的力矩，且該執(zhí)行器免加油，免點(diǎn)檢，防水防銹，可任意角度安裝。

3 流量計(jì)的設(shè)計(jì)

3.1 流量測量的原理

流量計(jì)是根據(jù)法拉第磁電感應(yīng)與卡門渦街相結(jié)合的原理設(shè)計(jì)的［5］，如圖3，當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體時，形成交錯排列有規(guī)則的旋渦，旋渦切割永磁體磁力線產(chǎn)生與旋渦頻率相同的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢由檢測電極檢出，并在一定流量范圍內(nèi)，該感應(yīng)電動勢的頻率與流量成正比。通過前置放大電路、濾波、整形，并送至微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)流體瞬時流量、累計(jì)流量的顯示及流量數(shù)據(jù)與微機(jī)系統(tǒng)之間的通訊和控制。

圖3 流量計(jì)的工作原理圖

卡門證明了旋渦穩(wěn)定條件，兩旋渦列之間的距離和同列的兩旋渦之間的距離之比為0.281。旋渦發(fā)生體產(chǎn)生旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)，旋渦分離頻率與管道內(nèi)流體的流量成正比，通過電磁元件檢測到旋渦分離的頻率f，通過單片機(jī)就可算出流量qV。根據(jù)流體中旋渦分離的頻率計(jì)算流體的體積流量的公式為：

式中，f 旋渦的發(fā)生頻率，Sr為斯特勞哈爾數(shù)，為被測流體的平均流速，d 為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，D 為測量管內(nèi)徑，qV為被測流體的體積流量，KV為儀表系數(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)時應(yīng)注意的問題

1）密封問題。由于信號組件要插入測量管內(nèi)，故信號組件要用密封圈緊密密封，旋渦發(fā)生體和電極座與測量管焊接時，應(yīng)保證焊接充分且不虛焊、無氣泡等，避免高壓時產(chǎn)生泄漏。

2）加工精度。旋渦發(fā)生體是產(chǎn)生旋渦的部件，其表面質(zhì)量和加工精度直接影響旋渦產(chǎn)生的強(qiáng)度和數(shù)量，由于線切割可加工硬質(zhì)金屬且加工精度高，故本產(chǎn)品用線切割的方式加工旋渦發(fā)生體，來保證旋渦發(fā)生體的加工精度和表面粗糙度。流體通過測量管內(nèi)腔，經(jīng)過旋渦發(fā)生體產(chǎn)生旋渦，旋渦產(chǎn)生的電動勢被信號組件檢測，如果測量管內(nèi)腔加工精度和表面粗糙度達(dá)不到要求，就會影響信號組件對信號的采集，進(jìn)而影響儀表的準(zhǔn)確性和精度。

3）材料選擇。測量管、旋渦發(fā)生體必須采用無磁性、抗腐蝕的材料，避免被磁鐵同化，影響信號強(qiáng)度和儀表精度。

4）加工工序。測量管采用法蘭與管道連接時，應(yīng)保證儀表長度，由于焊接會產(chǎn)生變形，焊后應(yīng)安排精車，測量管加工時應(yīng)留有足夠的余量。

5）裝配。由于測量管要承受一定的壓力，裝配時應(yīng)注意信號組件與電極座之間放密封圈，且應(yīng)該將信號組件鎖緊。

另外，測量管采用漸縮、漸擴(kuò)管，可以測量較小的流量。

4 流量積算與控制單元的設(shè)計(jì)

流量積算與控制單元是智能流量測控儀的大腦，它對來自流量轉(zhuǎn)換器的信息進(jìn)行分析和處理，將偏差進(jìn)行自動補(bǔ)償，通過控制執(zhí)行器帶動閥的開閉，使流量趨于設(shè)定值。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路如圖4 所示，電極采集到的微弱信號經(jīng)前置電路處理后變成方波信號，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)器來捕獲該信號，然后由式（1）和式（2）算出流體的流量。接著根據(jù)用戶要求的設(shè)定流量值來控制執(zhí)行器的開和關(guān)，達(dá)到控制管道中流體流量的目的。

圖4 流量積算與控制單元的硬件電路

本測控儀采用8583 時鐘芯片，自帶微型電池，即使外部電源斷開，也能保證系統(tǒng)時間的準(zhǔn)確性。24LC65 內(nèi)可以保存8KB 的數(shù)據(jù)，用于保存流量計(jì)的參數(shù)和日流量數(shù)據(jù)。儀表可選3 種標(biāo)準(zhǔn)的信號輸出：485；4～20 mA；脈沖輸出。485 通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的 ModBus-RTU 協(xié) 議，帶CRC 校驗(yàn)功能，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，符合現(xiàn)代數(shù)字化儀表的發(fā)展方向。4～20 mA 抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場也有不少的運(yùn)用。脈沖信號輸出的精度高，但不適于遠(yuǎn)距離傳輸。本測控儀采用這3 種通訊協(xié)議，用戶可根據(jù)現(xiàn)場的工作情況，選用合適的協(xié)議工作，提高了測控儀的可靠性。此外，儀表具有友好的顯示界面和人性化的設(shè)置按鍵，簡單易學(xué)，操作簡便。

圖5 主程序流程圖

圖6 流量控制子程序

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用子程序模塊化設(shè)計(jì)。本軟件主要包括主程序、子程序以及中斷子程序。主程序框圖如圖5 所示，它主要包括復(fù)位、初始化、按鍵掃描定時時間的控制。

子程序有按鍵處理子程序、瞬時流量累積流量計(jì)算子程序、4～20 mA 和脈沖信號變化子程序、流量控制子程序和顯示子程序。流量控制子程序的系統(tǒng)框圖見圖6。

中斷子程序包括485 通訊中斷子程序、定時器1 中斷子程序。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

智能流量測控儀的流量信號的頻率與介質(zhì)流速成正比，一般來說介質(zhì)的流速范圍大約在0.2～9 m/s 內(nèi)信號穩(wěn)定。利用標(biāo)定臺對各種口徑的測控儀進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1，其流量范圍的理論值和標(biāo)定值有一定的偏差，具體表現(xiàn)在標(biāo)定值的下限流量較理論值高，上限流量較理論值低。經(jīng)分析、實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加工中測量管內(nèi)腔的加工精度不高、控制閥內(nèi)腔有毛刺、流體水質(zhì)有微小顆粒物等都會導(dǎo)致標(biāo)定值達(dá)不到上限值和下限值。這些問題在加工中應(yīng)予以避免。實(shí)際設(shè)計(jì)中要根據(jù)用戶要求的流量范圍，并考慮加工裝配過程中的誤差，對測量管的內(nèi)徑進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)?？傊?，本裝置可以實(shí)現(xiàn)流體的測量和自動控制。

表1 測量管內(nèi)徑與所能測量的流量范圍

［1］ 莫德舉，朱大雷.電磁式渦街質(zhì)量流量計(jì)的開發(fā)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，2002，（4）：76-77.

［2］ 霍亮生，顧祖寶.基于多種勵磁方式的電磁流量計(jì)控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（2）：29-33.

［3］ 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：262-287.

［4］ 黃詠梅.基于壓差原理的渦街質(zhì)量流量測量方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［5］ 劉鵬民，莫德舉.電磁式渦街流量傳感器的研究［J］.測控技術(shù)，1999，18（11）：35-37.

［6］ 孫志強(qiáng)，項(xiàng)銀杰，張宏建.壓差式渦街質(zhì)量流量計(jì)信號處理系統(tǒng)的研制［J］.控制工程，2007（5）：185-188.

［7］ 李雯，戴華平，許玉芳.一種新型的電磁渦街水表［J］.工業(yè)計(jì)量，2007，17（1）：27-30.