智能V錐流量計的研究*

林 偉，徐 林

(福州大學，福建省微電子集成電路重點實驗室，福州350002)

智能V錐流量計的研究*

林 偉*，徐 林

(福州大學，福建省微電子集成電路重點實驗室，福州350002)

智能V錐流量計采用MSP430F4794為CPU，差壓、絕壓、溫度三路信號由各自的傳感器感知后，經調理電路轉化為電信號，再由MSP430F4794內部的SD16_A模塊轉化為數字量，由CPU進行處理，按照所建立的蒸汽的溫壓補償公式進行補償并驅動液晶顯示流量結果，該流量計的精度可達到0.2級。采用“V”型內錐式節流裝置作為智能V錐流量計的測量前端，成功地克服了傳統節流裝置精度低、壓力損耗大等缺陷。

V錐流量計;傳感器;MSP430F4794;溫壓補償

在長期的使用過程中，孔板、噴嘴和文丘里管等常用節流裝置都已實現了標準化，這些標準節流裝置結構簡單，易于復制，通用性強，價格低廉，因此獲得了非常廣泛的應用。然而，由于本身結構的缺陷，這些傳統節流裝置也存在著一些問題，如線性度比較差，量程比較小，重復性和準確性也不高，且容易積污和磨損，節流件使用過程中的壓力損失較大，要求的直管段過長，給現場安裝帶來了很多不便。為了獲得更好的測量效果，人們對產生差壓的節流裝置的優化、改進工作一直沒有中斷，其中較為成功的有80年代中期提出的V型內錐式流量計。，它克服了傳統節流裝置的一些缺點，能夠較好地調整流動和保持流動穩定，能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現更準確更有效的測量。使得測量重復性和精確度得到了進一步提高［1］。

近年來，隨著電子技術和計算機技術的不斷進步，流量測量儀表也開始向一體化、智能化的方向發展。其中，智能流量計就是一種應用非常廣泛的智能流量測量儀表，它通過對來自不同類型流量變送器流量信號的測量，輔以由溫度變送器和壓力變送器獲得的溫度、壓力等補償信號，對不同的流體依照不同的算法進行實時的流量補償，從而實現了流體體積流量或質量流量的測量、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能力［2-3］。

智能V錐流量計是在“V”型內錐節流裝置的基礎之上發展起來的。可同時檢測溫度、差壓、絕壓信號，可對流量進行實時的溫壓補償。在流量的算法中，運用浮點數進行運算，同時這里采用基于牛頓迭代法的快速開方算法進行浮點數的開方運算。

1 V錐流量計工作原理及溫壓補償

1.1 智能V錐流量計的工作原理

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

1.1.1 流量的測量

V錐流量計是利用同軸安裝在管道中的V型尖圓錐將流體逐漸地節流收縮到管道的內邊壁，通過測量此V型內錐體前后的差壓來測量流量的。V錐節流裝置包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓錐體和相應的取壓口。該測量管是預先精密加工好的，在尖圓錐體的兩端產生差壓。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得的靜壓力p1，而低壓力(負壓)則是在圓錐體朝向下游端面，在錐中心軸處所開取壓孔處的壓力p2，如圖所示。該圓錐體的頂尖朝向來流，圓錐體與其尾隨面之間是一個尖銳的銳角。此交合面的邊緣使得流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區，最后使流體流過錐體和管道之間的環形間隙［4-6］。

圖1 V錐流量計工作原理圖

流量的計算是根據伯努利方程推導得到的。其結論是流管中的流量與“V”型節流元件前后的差壓的開方成正比，其體積流量計算公式如下:

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

1.1.2 流出系數C

根據ISO4006中對節流式流量計的流出系數的定義為對不可壓縮流體流量，實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乘以可膨脹系數);對于V錐流量計，因為沒有標準的文件可依，所以必須用不可壓縮流體進行實測［7］。下面是在實驗中標定流出系數所設計的標定裝置，如圖2所示。

圖2 流出系數標定裝置

量筒測的是實際體積流量，V錐流量計檢測的是理論流量值。對于每一個V錐流量計，在流量公式中所采用的流出系數C是通過流量標定而獲得的。C的典型數值范圍是0.75～0.85。

1.1.3 V錐流量計的氣體可膨脹系數

如果被測介質是氣體或蒸氣，則必須使用氣體可膨脹性系數ε來修正柏努利方程。這是因為在節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。對于液體來說可膨脹系數ε為1，對于氣體、蒸汽來說ε＜1。根據ISO4006中定義的氣體的可膨脹系數:

其中C就是前面標定的流出系數。

雖然沒有現在還沒有標準的文件可用，但是由于現有的條件有限，不能用跟流出系數那樣的裝置去標定可膨脹系數。所以這里我采用的是NEL實驗室和McCrometer公司的三位博士在2001年的一次國際流量會議的論文中給出的結論，其基本思想是:根據ISO5167，把C·ε和Δp/(k·p1)看作是線性關系，用氣體作介質試驗，把C和ε的乘積求出，再去除以流出系數即可得到可膨脹系數。本課題中并沒有直接引用他們的擬合公式，而是采用天津大學徐英教授所擬合出來的公式，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，空氣的等熵指數為1;P1為靜壓值，Pa。

1.2 溫壓補償

在工況下測量氣體質量流量時，由于易受溫度、壓力的影響導致其偏離理想的工作狀態，最終導致測量結果產生較大偏差。所以，在測量蒸汽質量流量時必須輔以溫、壓補償［9］。

1.2.1 過熱蒸汽質量流量的溫、壓補償

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

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

圖3 過熱蒸汽質量流量的溫壓補償

1.2.2 飽和蒸汽質量流量的溫壓補償

飽和蒸汽是汽、液兩相流共存而保持平衡狀態的一種蒸汽。當外界條件改變時，它會從汽態向液態轉化，或從液態向汽態轉化。對于飽和蒸汽來說，其密度與溫度、壓力是一一對應的關系，可采用溫度補償密度法，也可以采用壓力補償密度法［10］。

溫度補償可用如下補償公式:

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 飽和蒸汽質量流量的溫度補償

該公式的使用范圍為100℃ ～200℃，根據計算，利用補償公式得到的密度值補償精度高，與查表法的相對誤差小于0.15%。

蒸汽與壓力之間的對應關系是非線性的，但是在壓力變化的一定范圍內，可以線性化，也就是說分段線性擬合。

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

式中:p為飽和蒸汽的絕對壓力，MPa。因此可以得到壓力自動補償時流量公式:

圖5 飽和蒸汽質量流量的壓力補償

2 硬件電路的設計與軟件設計

2.1 硬件電路

V錐流量計硬件電路的基本結構如圖6所示，此系統具有3個傳感器，分別對溫度、差壓、絕壓進行檢測，再進過調理電路變為電信號，并交由A/D模塊進行轉換，轉換的結果交由CPU按照一定的數學模型進行處理計算。計算的結果通過12864液晶顯示出來。本硬件電路的設計是基于易用性、抗干擾和低功耗等方面出發。對于流量計來說，要使其正常工作就必須根據工況注入各種參數，目前大多數流量計都是利用按鍵進行參數設置的，設置流程比較復雜。在本課題中將流量計的參數分為基本參數和高級參數，基本參數通過按鍵模塊經行設置，而對于高級參數來說則是廠家或者技術人員通過上位機對于對其進行設置。

圖6 硬件電路的基本結構

本課題采用MSP430F4794單片機為CPU，該單片機已經廣泛應用于儀器儀表行業，具有豐富的片內外圍，集成了16 bit的SD16_A模數轉換模塊、定時器，性價比很高，內部還具有60 kbyte+256BFLASH模塊。低電壓(1.8 V～3.6 V)、低工作電流(在1 MHz時為0.1μA～400μA)具有5種省電模式［11］。在此系統中用到的A/D模塊就是3個片內的SD16_ A模塊，對于存儲模塊用到的是內部的Flash模塊。本電路的設計減少的元件的個數，從而可以達到降低功耗的目的。

2.2 軟件設計

MSP430F4794的端口設置以及變量數據的初始化［12-13］。軟件初始化如下:

(1)時鐘以及定時器的初始化

(2)I/O端口的初始化

(3)SD16_A的初始化

(4)內部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:

(1)啟動SD16_A，每4 s采集一次差壓，每16 s采集一次溫度、壓力值，并對流量進行實時補償。

(2)每0.01 s喂一次內部看門狗，防止程序跑飛。

(3)每0.1 s掃描一次按鍵，每0.5 s刷新一次顯示頁面。

其流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 電路板實物圖以及實驗數據處理

3.1 電路板實物圖

本實驗所設計的電路板實物圖如圖8～圖10所示。

3.2 實驗測量數據

本課題是與福建上潤精密儀器有限公司合作的項目，表1是我在上潤公式提供的測量儀表利用標準表法所測的數據，測量介質為水。

圖9 信號處理部分電路實物圖

圖8 調理電路部分實物圖

圖10 顯示部分實物圖

表1 標準表法檢測被檢表數據

由表1可知，其重復性為0.177%，示值誤差為0.140%，儀表準確度達到0.2級，滿足實際測量精度。

4 結束語

基于V形內錐節流式智能流量計是一種功能強大、具有良好發展前景的差壓式流量計。與傳統的V錐流量計相比，具有長期精度高、穩定性好、受安裝條件局限小、耐磨損、測量范圍寬、壓損小等優點。此V錐流量計除了可以實現差壓、溫度、壓力、流量的測量之外，還可以通過對溫度、壓力的測量對流量進行溫壓補償，這樣可以大大提高其測量精度。

［1］劉躍.內錐流量計的探討［J］.自動化儀表，2004，25(3):38-42.

［2］盧勝利.智能儀器設計與實現［M］.重慶:重慶大學出版社，2003:1-34.

［3］孫延祚.“V”型內錐式流量計［J］.天然氣工業，2004，24(3): 105-110.

［4］蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用［M］.北京:化學工業出版社，2001:1-61.

［5］Tokyo Keiso.Measurement of Saturated Steam Flow byV-Cone Flowmeter［R］.Tokyo，2005.

［6］He Denghui，Bai Bofeng，Xu Yong et al.A New Model for the VCone Meter in Low Pressure Wet Gas Metering［J］.Measurement Science and Technology，2012，23(12):1-9.

［7］徐英，于中偉，張濤，等.V形內錐流量計關鍵參數對流出系數的影響［J］.機械工程學報，2008，44(12):105-111.

［8］徐英，楊會峰，張濤.內錐流量計可膨脹系數實驗研究［J］.計量學報，2008，29(5):457-460.

［9］張濤，曹光明.采用雷諾數修正法的高精度氣體渦街流量計的研究［J］.儀表技術與傳感器，2003(4):40-43.

［10］陳麗君，王為民，程曉崇.流體密度的常用補償方法［J］.工業計量，2003(6):39-40.

［11］李智奇，白小平，陳曉龍，等.MSP430系列超低功耗單片機原理與系統設計［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008:1 -26，156-158.

［12］謝楷，趙建.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐［M］.北京:機械工業出版社，2009:44-165.

［13］林志堅，沈萌紅.液晶顯示模塊在流量計中的實現［J］.電子器件，2006，29(2):459-465.

Research of the Intelligent V-Cone Flowermeter*

LINWei*，XU Lin
(Fuzhou University，Fujian Key Laboratory of Microelectronics and Integrated Circuits，Fuzhou 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 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0017-05

項目來源:福州大學校基金(022446)

2013-04-11修改日期:2013-05-08

EEACC:7320W

林 偉(1968-)，男，博士，副研究員，碩士生導師，主持和參加了12項科研項目，主要有:“平板顯示驅動芯片的設計”、“數字調諧芯片的研制”等。先后在國內外專業雜志發表了46篇論文，其中6篇為EI收錄;

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