涡街流量计的二次仪表设计

一、设计题目涡轮流量计双闭环流量比值控制系统设计二、设计任务该设计可在A3000-FS 实验台上完成。

图１中1#管流量Q1为主变量，2#管流量Q2为从变量，可设计串级调节器控制FV101满足系统要求。

表１ 连接端配置 测量或控制量 测量或控制量标号1＃涡轮流量计 FT101 2＃涡轮流量计 FT102 电动调节阀FV101 ……以上连接图和仪表仅为本控制系统中的设计提供思路，并不完整，其它部分还需根据自己的设计思路添加。

三、功能要求1) 有组态界面，可观察控制效果，用户操作方便。

2) 可手动输入数据，比如主动量设置、流量比值设置等。

3) 工艺参数在线曲线，可观察控制系统的运行效果。

4) 可在线修改工艺参数。

5)对扰动有较好的抑制能力。

四、控制原理FT 1022#调节阀FV101FT 101比值器调节器Q 2Q 11#图１ 比值控制原理示意图单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。

但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。

但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，双闭环串级控制系统就应运而生。

双闭串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。

双闭环串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。

正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。

在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律的选择及正、反作用方式的确定。

五、系统规划及详细设计1.控制方案根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。

涡街流量计测量系统的设计与优化涡街流量计作为一种流量测量仪表，在工业生产流程中具有广泛的应用。

涡街流量计测量系统的设计与优化有利于提高流量测量的准确度和稳定性，保证生产流程的顺利进行。

本文将探讨涡街流量计测量系统的设计与优化方案。

一、涡街流量计的原理涡街流量计是利用流体经过涡街时产生的涡街频率与流量成正比的原理进行流量测量的。

涡街流量计的基本构成包括传感器和信号处理单元两部分。

传感器由涡街和传感器体两部分组成，其中涡街是一种铁磁材料制成的叶片，通过流体流过后旋转产生涡街频率；传感器体是由磁电转换器和放大器组成，用于将涡街旋转产生的信号转换为电信号进行处理。

信号处理单元由AD转换器、微处理器、显示装置等组成，主要用于数据的采集、处理和显示。

涡街流量计的原理简单、灵敏度高、精度稳定，被广泛应用于流量测量。

二、涡街流量计测量系统的设计涡街流量计测量系统的设计主要包括选择合适的涡街流量计型号、选取合适的传感器、设计合适的信号处理单元等方面。

需要根据实际需要和流量工况进行选择和设计，可以采用模拟电路、数字电路或混合设计的方法进行系统设计。

选择合适的涡街流量计型号是涡街流量计测量系统设计的第一步。

目前市场上涡街流量计种类繁多，不同型号具有不同的流量范围和测量精度，应根据流量工况和精度要求选择合适的型号。

同时，要考虑涡街流量计的材料、尺寸、电性能等参数，以保证流量计的可靠性和稳定性。

选取合适的传感器是涡街流量计测量系统设计的关键。

传感器的灵敏度和线性度对流量测量准确度和稳定性有很大影响。

传感器可以根据涡街流量计的型号和流量参数选取，应考虑传感器的灵敏度、线性度、动态响应等性能参数。

设计合适的信号处理单元是涡街流量计测量系统设计的关键。

信号处理单元的设计应考虑信号放大、滤波、AD转换、数据处理等方面。

信号处理单元应保证测量数据的准确性和稳定性，并且应具有一定的自适应功能，以适应工作环境的变化。

三、涡街流量计测量系统的优化涡街流量计测量系统优化的目标是提高流量测量的精度和稳定性，降低测量误差和信号干扰。

摘要：将先进的信号处理方法和数字信号处理器(DSP)应用于流量计的信号处理，计算流量信号的频率和相位差等，克服目前此类流量计信号处理方法的局限，提高测量精度和抗干扰能力，扩大量程比，实现小流量测量。

研制基于DSP的涡街流量计和科里奥利质量流量计二次仪表。

关键词：涡街流量计，科里奥利质量流量计，数字信号处理器，二次仪表。

1．引言被人们称为“数字孔板”的涡街流量计，具有测量精度较高、无活动件、可靠性好、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点。

近年来发展速度居流量仪表第二位，在各行各业获得愈来愈广泛的应用。

但是，涡街流量计在应用中还存在两个关键问题没有解决。

一是由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而工业现场的振动是普遍存在的。

(1)管道机械振动干扰：水泵、阀门的开启，大电机的运行等；(2)流场干扰：流场不稳定，在现场直管段长度达不到要求。

由于现场振动噪声的干扰，使得现场测量误差远远大于实验室标定误差，有时实际测量误差可达50%之大。

二是量程下限受限，不能测量小流量。

而现场的管道是一定的，并且，工艺上对流体的压力有要求，不能缩小管道的口径，所以，测量小流量是不可避免的。

量程下限受限是由于当流量小时，涡街传感器的输出信号比较微弱，易被噪声淹没。

所以，上述两个问题是有内在联系的。

这两个问题影响了涡街流量计特点的发挥，阻碍它的发展。

科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)是一种新型流量计，其特点是：直接实现质量流量的测量，这是许多工业应用迫切期待的；管内无障碍物，便于清洗；可以同时获取密度测量值。

它是当前发展最为迅速的流量计之一，具有广阔的应用前景。

科氏流量计也是基于流体振动原理进行工作的。

它要求其信号处理电路精确地测量来自两个流量传感器信号的相位差。

目前，其基于模拟电路的信号处理方式(放大、滤波、整形和计数)，存在如下局限：对噪声特别敏感。

而工业现场，噪声各种各样，干扰是无法避免的。

科氏流量传感器输出信号的频率落入许多工业噪声的频率范围，而且传感器输出信号的幅值比较小，在许多情况下，并不明显大于噪声信号的幅值，这就限制了流量计的灵敏度，使得有用信息的获取十分困难，导致实际的测量精度达不到指标规定的精度。

涡街流量计设计技术标准一、 设计方案1、方案：由使用单位填写流量计安装参数表，经使用单位和生产部签字确认，电控部据此选型申报 计划。

（见附表1）2、关键控制点：传感器口径选择：（适合DN300以下）主要是对流量下限值进行核算。

它应该 满足以下 条件：1） 最小雷诺数不应低于界限雷诺数（R&二2X 101）和对于应力式VSF 在下限流量时旋涡 强度应大于传感器旋涡强度的允许值（旋涡强度与升力P J 成比例关系）。

2） 对于液体还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压，即是 否会产生 气穴现象。

3） 流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的最佳工作范围（即上限流量的 1/2 〜2/3处）。

二、 设计标准（一）、选型及注意事项可以从五个方面进行考虑，这五个方面为流量计仪表性能方面、流体特性方面、安装条件 方面、环境条件方面和经济因素方面。

五个方面的详细因素如下：1、 仪表性能方面：准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等； 2、 流体特性方面： 温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容，等嫡指数;管道布置方向，流动方向，检测件上下游侧直管段 电源、接地、辅助设备（过滤器、消气器）、安装、等;环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道 5、经济因素方面：仪表使用寿仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费、 命、备品备件等。

（-）、包含内容一、 仪表数据表（见附表2）3、 安装条件方面：长度、管道口径，维修空间、 4、 环境条件方面：振动等；二、控制方案说明：1、涡街流量计的选用涡街流量计的口径选择机械振动和冲击安装场所应避免机械振动和碰撞冲击。

高频电噪声干扰现场安装安装流量传感器之前，先将“法兰”焊接在管道上，不允许将法兰与传感器在装配状态下对管道进行焊接以免因过热损坏仪表。

焊接要保证法兰密封端面与515D管道垂直。

1 引言随着现代工业自动化水平的不断提高，在很多情况下需要集中监测多个流量点，如在石油注水开采过程中，为了保持开采效果、保护地下环境及随后分析注水数据，需要对注水量进行监测，在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的出油量。

计量仪表精确度的高低直接影响企业的经济效益。

目前，我国的流量计起步晚，起点低，还比较落后。

使用单片机开发的流量计作为二次仪表是非常适用的，对油田自动化有很大的促进。

2 系统原理就整体结构而言，流量计主要由涡街流量传感器、前置放大器、计数显示单元组成。

涡街流量传感器主要由漩涡发生体、漩涡频率检测器和壳体构成，其作用是产生稳定和强烈的漩涡，并检出产生漩涡的频率和输出与漩涡频率成正比的电信号。

漩涡发生体是涡街流量计的重要元件，为了产生强烈和稳定的涡街，并在较宽的管道雷诺数范围内具有恒定的斯特劳哈尔数以保证仪表的线性输出，漩涡发生体必须有一定的形状、结构和尺寸比例，这要通过实践来确定。

就一般情况来说，由于检测元件输出的信号比较微弱且含有噪声，所以各种检测方式的前置放大器还应包括放大、滤波、整形等部分，合起来也称为一次仪表。

计数显示单元也称为流量计的二次仪表，一般由单片机系统构成流量显示仪表，它对转换器输出的信号进行计数以实现对流量的记录、存储、计算和设置等功能。

另外，还要控制液晶显示器以显示其测得的瞬时流量和总流量等信息。

有的流量计为了与远程计算机进行数据通信，还带有通信接口，以实现动态监控。

用单片机开发的仪表具有多种功能。

由软件调节非线性误差的智能流量显示仪是和各种脉冲输出的一次流量测量仪表相配套的二次仪表，具有如下特点：●采用微处理技术，可靠性高；●采用微功耗器件，耗电少，适合电池供电；●可同时显示累积流量和瞬时流量；●采用智能多段流量软件补偿技术，测量精度高；●可以存储流量。

它的技术性能如下所述。

输入信号是一次仪表的频率输入信号，与流量传感器相接，经检测、放大后得到被测介质的流量，信号频率为0MHz～1 000Hz的脉冲信号。

5.二次仪表智能化
本流量计的二次仪表是采用单片微处理器8031为核心的智能化仪表。

该二次仪表可以同时计算和显示信号频率、瞬时流量和累计流量等参数，其中二次仪表还具有与其它微机进行通讯的接口，RS-232串行口和centro NI。

并行接口。

其中测量所得的瞬时流量值可以通过RS-232口传送给一般微机进行数据分析、处理，也可以通过A/D转换成为模拟量加以输出，其中的并行接口可以连接打印输出设备.图6是二次仪表内部结构框图.
由于二次仪表具有智能功能，能直接进行频率测量，并根据流量传感器标定特性将所测的频率转换成流量，并进行温度补偿修正等计算。

二次仪表实现智能化后，流量计的标定和校正都十分方便，环境温度对测量精度的影响得到了自动修正，保证了良好的使用精度和数据可靠性。

使瞬时燃油小流量计成为具有特色的油耗仪。

三、汽车道路模拟试验。

基于DSP的小流量科氏流量计二次仪表设计与实现牟泽龙;涂亚庆;陈鹏;马新【摘要】为提高小流量科氏流量计二次仪表的测量精度,从硬件和软件方面设计了一种基于数字信号处理器(DSP)的二次仪表,对嵌入其中的基于相频匹配的频率估计和相位差估计算法进行了阐述.模拟电信号测量和小流量实测实验结果表明:设计的二次仪表具有较高的测量准确度.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】4页(P109-111,119)【关键词】科氏流量计;数字信号处理器;相位差估计【作者】牟泽龙;涂亚庆;陈鹏;马新【作者单位】陆军勤务学院军事物流系,重庆401311;陆军勤务学院军事物流系,重庆401311;陆军勤务学院军事物流系,重庆401311;重庆澳凯龙医疗科技股份有限公司,重庆401120【正文语种】中文【中图分类】TH8140 引言科氏流量计[1～5]在小流量测量时，其接收的拾振信号相对微弱，这对二次仪表的性能提出了更高的要求,早期研究采用单片机(micro controller unit,MCU)作为二次仪表核心[6]，方法运算速度极慢，不能嵌入复杂的信号处理算法，限制了测量精度。

文献[7]采用数字信号处理器(digital signal processor,DSP)与现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)作为二次仪表核心，将系统功能分开，以减轻芯片负担，方便实现系统功能，但增加了成本，且FPGA的软件开发相对困难。

文献[8] 采用DSP与MCU作为二次仪表核心，二者并行工作提升整个系统运行速度，但该方法往往使得整个系统的软硬件变得复杂，同时增加了成本。

目前，DSP芯片已经具有丰富的外设模块，通过合理的编程即可实现二次仪表的所有功能。

对于信号处理算法，即相位差测量方法，目前主要有过零检测方法[9]、傅里叶变换方法[10]、锁相环方法[11]、正交解调方法[12]、相频匹配[13]方法等。

浅谈天然气计量中的二次仪表作者：吴静文章来源：网络论文点击数：19 更新时间：2007-7-22 20:01:26一、二次仪表的产生背景及其由来人们对自然界的认识很大程度上取决于检测和仪表。

流量的检测计量一直是工业生产中过程控制的重要组成部分之一，它与国民经济、国防建设、工业生产、科学研究有密切的关系。

特别是在能源高度紧张、工业生产自动化程度愈来愈高的当今世界，世界各国都在加紧开发新能源来代替传统的煤、石油等一次能源。

与此同时，天然气工业得到了蓬勃发展，伴随着天然气在各国一次能源中的比重不断上升，天然气的计量引起了人们的特别关注，在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量准确度和可靠性要求特别高。

天然气的计量关系到每个用气的公司、个人的切身经济利益。

由于天然气是一种可压缩性流体，作为一次检测仪表的流量计本身仅仅能够检测工况下的气体体积量，无法给出统一状态下的气体体积量，给天然气的贸易计量带来很大的不便。

为了更准确的计量，必须有一种可以在线检测气体的温度、压力和流量信号，并进行压缩因子自动修正和流量自动跟踪补偿，将工况体积量转换成标准状态体积量的仪器，在这种背景下就产生了体积修正仪。

二、体积修正仪的主要功能体积修正仪主要用来在线检测气体的温度、压力、流量等信号，并进行压缩因子自动修正和流量自动跟踪补偿，将工况体积量转换成标准状态体积量的仪表[1]。

具体转换原理为：1、在线检测温度、压力信号；2、检测气体成分(或根据实际情况、设定天然气的气体组分)，然后通过温度、压力信号、气体成分计算出压缩因子[2]；3、接受流量计发出的流量脉冲信号，并根据流量计的出厂校准曲线对流量计的脉冲信号进行自动修正；4、最后通过气体状态方程计算出标准状态下的流量值，并直接显示计算结果进而达到商业计量的需要。

此外，作为一种现场检测仪表，随着自动化水平和现场总线技术的不断提高，要求体积修正仪具有存储、显示、通讯等功能，部分用于贸易结算的体积修正仪还要求具有打印、计算金额等功能。

涡街流量计参数设定表菜单名称 设定项 操作方法 说明测量介质 饱和蒸汽温度补偿 按“增加”键循环选择气体、液体无补偿：适用于测量工况温度、压力稳定的各种气体、液体；气体温压补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的普通气体；液体温压补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的水；石油温压补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的石油；过热蒸汽温压补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的过热蒸汽；饱和蒸汽温度补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的饱和蒸汽；饱和蒸汽压力补偿：适用于测量工况温度、压力有所变化的饱和蒸汽。

“测量介质”默认为“气体无补偿”。

仪表口径 DN50 设定范围：0000-9999mm“仪表口径”默认值为50mm通过“移位”与“增加”键配合调整。

仪表系数 平均仪表系数 通过“设置”、“移位”、“增加”键配合调整 仪表系数设定范围：0.000000-99999999脉冲个数/立方米 线性修正折点频率设定范围：0.00-9999Hz “平均仪表系数”默认值为9000脉冲个数/立方米。

“线性仪表系数”默认值为00000000，“折点频率”默认值为0000Hz ，出厂时按标定数据设定。

“线性修正”时，6个修正频率点及仪表系数无需全部设定，根据需要由“频率一”及“系数一”开始由小频率点到大频率点连续设置，无需设置的仪表系数和频率点保持原默认值，不可更改。

流量单位 kg/h按“增加”键循环选择m 3/h 及km 3/h 只适用于无补偿模式及气体温压补偿，其它补偿模式建议使用kg/h 或t/h 。

“流量单位”默认为m 3/h 。

输出类型电流 工况脉冲：只输出补偿前的频率脉冲（标定必选此项），若仪表系数设置为线性修正系数，则输出修正后的频率脉冲； 标况脉冲：输出与显示瞬时流量相对应的频率脉冲，一般用于线性修正或带补偿型，输出修正或补偿后的频率； 电流：输出对应流量上、下限的4-20mA 电流，流量上、下限可由软件任意设定，不需要重新校验零点和满度。