天然氣現(xiàn)場智能旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)設(shè)計(jì)

王康 中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司

溫度、壓力、流量是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的三人檢測參數(shù)。作為液體、氣體等流體流量計(jì)量流量計(jì)廣泛用于化工、冶金、石油輸送、天然氣輸送、民用水表、民用燃?xì)獗淼确矫妗ｋS著人們生產(chǎn)和生活的不斷發(fā)展，在商業(yè)貿(mào)易和工業(yè)生產(chǎn)中，對流體的流量計(jì)量的需求在不斷增長。傳統(tǒng)的流量計(jì)主要包括壓力損失較大的孔板流量計(jì)，噴嘴流量計(jì)及文氏里管流舉計(jì)，主要缺點(diǎn)是測量范圍很小，操作維護(hù)較煩瑣，易引起誤差。孔板流量計(jì)是根據(jù)流體通過安裝在管道中的流量檢測元件時(shí)所產(chǎn)生的差壓來測量流量的儀表[1]。目前是工業(yè)生產(chǎn)中用來測量氣體、液體和蒸汽流量最常用的一種流量檢測儀表。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)工業(yè)測量鄰域中，差壓式流量計(jì)占流量儀表總數(shù)的一半以上，使用量一直居流量儀表的首位。其中用的最多的是由節(jié)流裝置和差壓計(jì)組成的節(jié)流式流量計(jì)[2]。

一、結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

圖1為旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)的原理結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)被測介質(zhì)氣流或液流沿著軸方向流動(dòng)的傳感器入口時(shí)，旋渦發(fā)生葉片強(qiáng)迫流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，于是在旋渦發(fā)生體中心產(chǎn)生旋渦流，旋渦流在文丘里管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，當(dāng)旋渦流進(jìn)入打一散段后，因回流的作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)。此時(shí)旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比并為線性。壓電傳感器檢測的微弱電荷信號經(jīng)前置放大器放大、整形、濾波后變成頻率與流速成正比的脈沖信號，最后送單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到流體的流量值。

圖1 旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)的原理結(jié)構(gòu)圖

由旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其計(jì)量原理分析，只要將流體通過旋渦發(fā)生體時(shí)產(chǎn)生的旋渦用旋渦傳感器檢測到與流體流量相對應(yīng)的電脈沖信號，通過放大及整形后得到該信號的頻率值。根據(jù)用戶要求，該系統(tǒng)應(yīng)具有的功能有累計(jì)流量和瞬時(shí)流量的顯示包括體積流量、質(zhì)量流量和熱值之間的切換，現(xiàn)場溫度、壓力的顯示，電池容量的檢測等等。包括：

（1）瞬時(shí)流量和累計(jì)流量顯示。旋渦傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過放大和整形，溫度、壓力信號經(jīng)放大及心轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理，然后單片機(jī)將計(jì)算得到的瞬時(shí)流量送液晶顯示一件顯示，在瞬時(shí)流量的基礎(chǔ)，每隔一個(gè)設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行累加，得到現(xiàn)場累計(jì)流量，同時(shí)把退水?dāng)?shù)據(jù)送到液晶顯示器顯示。

（2）密碼設(shè)定。儀表的密碼分為制造商密碼和用戶密碼兩級。制造商在儀表使用前將儀表系數(shù)通過功能設(shè)定按鈕輸入儀表，通常這些常數(shù)是不能由用戶隨意改變的，因?yàn)樗鼈冴P(guān)系到系統(tǒng)的正常運(yùn)行和顯示正確的流量。

（3）現(xiàn)場壓力、溫度顯示。場壓力和溫度是經(jīng)過單片機(jī)處理后得到的被測介質(zhì)的溫度、壓力數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)可以知道被測介質(zhì)的工作情況，從而可以對天然氣流量必要補(bǔ)償。

（4）設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘。儀表內(nèi)部設(shè)置了日歷時(shí)鐘，對流量數(shù)據(jù)按日期進(jìn)行不斷的儲存，便于對使用情況進(jìn)行監(jiān)控，方便用戶對自己的用量的了解。

（5）串口通信功能。流舉數(shù)據(jù)可以直接從液晶顯示器上面讀取。由于系統(tǒng)設(shè)置了外接數(shù)據(jù)接門即串口，可以方便的實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取，從而可以實(shí)現(xiàn)抄寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化，節(jié)省大量的人力，甚至可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng)。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究完成后，必須經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，使儀表顯示的流量值與理論計(jì)算完全一致，同時(shí)系統(tǒng)的每項(xiàng)功能還必須按照設(shè)定的程序正常、可靠地工作[3]。試驗(yàn)的基本思想是通過接收來自溫度傳感器的溫度信號和壓力，傳感器的壓力信號，查取片內(nèi)程序存儲器中入然氣壓縮系數(shù)數(shù)據(jù)表格得到壓縮系數(shù)，單片機(jī)處理來白旋渦傳感器的領(lǐng)率信一號得到頻率值。

為剔除頻率信號的振動(dòng)干擾和氣流擾動(dòng)干擾，首先采用硬件電路的濾波方式，經(jīng)多次試驗(yàn)和反復(fù)電路調(diào)試，表明硬件濾波措施得當(dāng)，效果良好。為適應(yīng)如北方地區(qū)室外低溫環(huán)境，液晶顯示器必須能在低溫下穩(wěn)定五作，正常刷新屏顯數(shù)據(jù)，所以有必要進(jìn)行液晶顯示模塊的低溫試驗(yàn)。試驗(yàn)中是將液晶顯示模塊放入-25℃和-40℃的冷凍柜中，待60分鐘后取出，觀察其是否能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)比如秒鐘正常刷新屏幕顯示數(shù)據(jù)。結(jié)果表明該液品顯示模塊能達(dá)到預(yù)期日的，完全能夠滿足實(shí)際需要。

三、結(jié)語

本設(shè)計(jì)研究完成的天然氣現(xiàn)場智能儀表，從日前用戶實(shí)際使用情況看，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究達(dá)到了預(yù)期目的，從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究到現(xiàn)場使用表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠完成預(yù)足的各項(xiàng)功能，從儀表市場狀況與前景分析，旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)，占一定的市場份額，井且市場前景看好。