管道内原油流量的测控系统

1设计概要本次课程设计是为测控仪表及装置课程而开设的综合实践教学环节。

本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。

本文主要介绍的是一套管道内原油流量测控系统，通过在管内安装一个涡轮流量计来检测管道内原油的流量。

然后对涡轮流量传感器提供的信号通过PID调节器进行分析处理，最后对流量数字信号进行定量计数检测，根据数字量检测结果在电路上实现以流量单位进行计量显示。

测量精度小于5%。

并且能够根据预先置定的数字对流量进行设定，当流量未达到设定值（或超过设定值）时，发出控制信号执行某种动作。

控制调节阀动作来增大（或减小）开度，来实现流量的控制。

2 流量测控系统方案2.1 控制系统工艺流程由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统如图1-1所示。

图中控制对象代表生产过程中的某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量。

这些被控变量首先由测控元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。

该信号送到调节器中，与给定值相比较。

调节器按照比较后得出的偏差，以一定的调节规律发出控制信号，控制执行器的动作，改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。

图2.1 简单控制系统方框图一个控制系统除了图中表示的几种控制仪表以外，还可以根据需要设置转换器、操作器、运算显示装置和各种仪表系统，以完成复杂的控制任务。

图2.2 内容器单闭环流量控制系统方块流程图2.2 设计思想要求给定流量范围为200t/h，超调量不超过5%，稳态误差不超过±5%.设计的关键在于管道中原油流量的检测和控制，分别可以通过选择合适的流量计、和流量积分演算智能调节器、电动调节阀完成相关功能。

另外，原油流量有固定要求（200t/h；恒值控制），流量计把石油流量信号转换为脉冲频率信号,由控制器对脉冲频率信号进行处理、计算,得出流量值,传给显示器,进行显示。

同时控制器与远程控制器进行实时数据交换,实现远程控制。

液晶显示器实时显示控制器输出的流量值.设原油密度均匀与目标系统原油组分密度粘度等参数均一致，通过实验标定当满足要求（200t/h）时，涡轮流量计产生相应的脉冲，将该值输入智能控制器即可实现恒值控制。

而且，该智能控制器不仅能自整定，偏差自动计算与纠正，而且兼有控制失灵报警以及显示仪表的功能。

系统内全部构件均采用智能标准接口，具有连接简单快速稳定安全的优点。

总体设计流程图如下：图2.3单闭环原油流量控制流程图3 管道内原油流量测控系统的实现3．1 涡轮传感器部分传感器在整个流量控制系统中起到的作用是将液体流量转换成电脉冲。

涡轮传感器由涡轮、轴承、前置放大器等部分构成，前置放大器有磁感应转换器和放大整形电路两部分组成。

当液体流过涡轮流量传感器的时候，冲击涡轮，使涡轮转动，壳体内部的永久磁钢产生磁力线，涡轮叶片拥有导磁性。

在涡轮转动的时候，叶片切割磁感应线引起壳体外部磁电感应系统的磁阻值改变，产生脉冲信号，在一定的流量范围内，产生的脉冲信号的数量与流量成正比。

3.1.1涡轮流量计的工作原理涡轮流量计的原理示意图如图3.1所示。

在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。

当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。

在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。

由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。

图3.1 涡轮流量计的原理示意图涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。

由于叶片有导磁性，它处于永久磁钢和线圈组成的信号检测器的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，这些磁力线是由壳体内永久磁钢产生的，当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。

这样周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量。

3.1.2 涡轮流量计的构造流体从机壳的进口流入。

通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上。

在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度。

在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号。

主要部件：1）涡轮涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片。

叶片数量根据直径变化而不同，2－24片不等。

为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小。

对涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角10°－15°（气体），30°－45°（液体）；叶片重叠度P为1—1．2；叶片与内壳间的间隙为0．5—1mm。

在这里主要参照液体的结构参数。

图3.2 水力平衡原理示意图2）轴承涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好。

这里特别说明，由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，这方法的原理见图3.2所示。

由于涡轮处直径DH 略小于前后支架处直径Ds ，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升 P ，这个 P 的静压将起到抵消部分轴向推力的作用。

图3.3 涡轮流量计前置放大器原理图3）前置放大器前置放大器工作框图如图3.3所示。

前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成。

当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。

输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比。

比例系数为 v f k q （f ―涡轮流量计输出脉冲频率；v q ―通过流量计的流量）该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数。

3.1.3 涡轮流量计的特点涡轮流量计是一种有很多优点的流量仪表。

归纳起来，它有如下特点。

1）准确度高涡轮流量计的准确度在（0。

5－0。

1）％左右。

在线性流量范围内，即使流量发生变化，累积流量准确度也不会降低。

并且在短时间内，涡轮流量计的再现性可达0。

05％。

2）量程比宽涡轮流量计的量程比可达8—10。

在同样口径下，涡轮流量计的最大流量值大于很多其它流量计。

3）适应性强涡轮流量计可以做成封闭结构，其转速信号是非接触测量，所以容易实现耐高压设计。

如果流量计的涡轮和轴承选择耐高温、热膨胀系数小的材料，就可以在较宽的温度范围内使用。

这时，应注意对它的仪表系数进行修正（主要是其流通截面的变化）：K＝K0[1－（R＋2 H）（t－to）]式中K，K0——使用时和校验时的仪表系数；t，t0——使用时和校验时的流体温度；R，H分别为涡轮和机壳的材料膨胀系数。

4）数字信号输出涡轮流量计输出为与流量成正比的脉冲数字信号。

它具有在传输过程中准确度不降低、易于累积、易于送入计算机系统的优点。

3.1.4 涡轮流量计的安装使用要想充分发挥涡轮流量计的特点，在流量计的安装使用上还必须加以充分注意。

下面概要讨论一下这方面的问题。

a）被测介质涡轮流量计所测得的液体，一般是低粘度的（一般应小于15×l0－6m2／s）、低腐蚀性的液体。

虽然目前已经有用于各种介质测量的涡轮流量计，但对高温、高粘度、强腐蚀介质的测量仍需仔细考虑，采取相应的措施。

当介质粘度v大于15×l0－6m2／s时，流量计的仪表系数必须进行实液标定，否则会产生较大的误差。

汽—液两相流、气—固两相流、浓—固两相流均不能用涡轮流量计进行测量。

b）安装配管要求流量计的安装情况对流量计的测量准确度影响很大。

1）流速分布不均和管内二次流的存在是影响涡轮流量计测量准确度的重要因素。

所以，涡轮流量计对上、下游直管段有—定要求。

对于工业测量，一般要求上游20D，下游5D的直管长度。

为消除二次流动，最好在上游端加装整流器。

若上游端能保证有20D左右的直管段，并加装整流器，可使流量计的测量准确度达到标定时的准确度等级。

2）涡轮流量计对流体的清洁度有较高要求，在流量计前须安装过滤器来保证流体的清洁。

过滤器可采用漏斗型的，其本身清洁度，可测其两端的差压变化得到。

3）为保证通过流量计的液体是单相的，即不能让空气或蒸气进入流量计，在流量计上游必要时应装消气器。

对于易气化的液体，在流量计下游必须保证一定背压。

该背压的大小可取最大流量下流量传感器压降的二倍加上最高温度下被测液体蒸气压的1.2倍。

图3.4 涡轮传感器的结构图1 壳体 6 反推体2 导流件 7 导流件3 锥体 8 长轴4 轴承系统 9 螺母5 叶轮 10 信号检测器c）信号传输线为了保证显示仪表对涡轮传感器输出的脉冲信号有足够的灵敏度，就要提高信噪比。

为此，在安装时应防止各种电干扰现象，即电磁感应，静电及电容耦合。

所以，在配置信号传输线时，必须注意如下几点：1）限制信号线的最大长度。

信号线的最大长度为，L＝dV；其中，V 为在最小流量时传感线圈的输出电压有效值，mV；d为系数，m／mV，其值可取：V＜1000mV时，d＝1。

0；1000 mV＜d＜5000 mV时，d＝1。

5；V＞5000mV时，d＝2。

0。

2）信号传输线应采用屏蔽电缆，以防来自外部的感应噪声。

要求传输电缆在显示仪表端屏蔽接地。

传输电缆不能靠近强电磁设备，不允许与动力线乎行布置。

3）运转维护①当涡轮流量计的管道需要清洗时，必须开旁路，清洗液体不能通过流量计。

②管道系统启动时必须先开旁路，以防止流速突然增加，引起涡轮转速过大而损坏。

③涡轮流量计轴承应定期更换，一般可根据小流量特性变化来观察其轴承的磨损情况。

3.2 涡轮流量计检测部分检测部分主要是由涡轮传感器，磁电转换及前置放大部分构成。

涡轮传感器的检测是通过涡轮的叶轮转动次数来完成的，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。

在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。

由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。

3.2.1信号处理部分信号处理部分主要由信号接收换能器和DSP构成。