CN102768049A - 一种智能化差压式流量传感装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种智能化差压式流量传感装置及其设计方法。本发明属于工业测量与控制领域，应用于气体、液体等流体的流量测量过程中，解决单一差压测量装置使用过程的量程局限。本发明涉及的装置包括差压流量传感器2、差压信号转换装置3、测量结果积算模块4，其中差压流量传感器2安装在流体管路1上，依次与差压信号转换装置3、测量结果积算模块4连接，其测量结果积算模块4由模拟量转换、微处理器硬件模块和量程修正模块组成。可以在单一差压测量装置的条件下，不需增加差压测量单元，通过增加具有补偿功能的辅助计算模块的方法，解决量程限制问题，满足使用要求。在同样测量条件下可减少差压测量装置辅助测量硬件投入，降低设备成本，提高测量装置的适用性。

Description

一种智能化差压式流量传感装置及其设计方法

技术领域

本发明属于工业测量与控制领域，应用于气体、液体等流体的流量测量过程中，解决单一差压测量装置使用过程的量程局限。

背景技术

如图1所示，为目前通用的流体流量测量方式，差压式流量传感器2以截流方式安装在充满流体的管线1上，当有流体通过时，在装置的上游侧与测量装置或下游侧之间产生一个静差压，这个差压值与流体的瞬时流量具有对应关系，并随流体的速度变化而变化。由差压测量装置3测得实时差压量值，根据该差压的实测值和流量传感器的特性，以及装置使用时流体的温度、压力等条件，通过部件4计算得到瞬时流量值。按照GB/T 2624定义，质量流量与差压的关系式为：

$q_m=\frac{C}{\sqrt{{1-\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δp}{\mathrm{\ρ}}_1}$

由以上计算过程可以看出流量测量是一个将差压测量数值代入公式的运算过程。在测量环境确定的情况下，在一定误差范围内，公式中的流出系数C、可膨胀性系数ε、直径比β、流量传感器孔径d均以常量看待，ρ1为流体在温度、压力动态变化条件下的密度修正值，Δp为差压测量值，实际测量过程只需测量差压及温度、压力三个变量即可完成瞬时流量测量。

当测量量程扩大，且超出某个限定范围时，以上式中的C值将产生变化，超出在本计算公式中应该保持的常量特性，其变化量随范围的扩大而变化，影响到测量结果的准确性，最终使测量结果失去意义。

发明内容

本发明的目的是：在现有通用的差压测量传感器流量测量环境下，通过增加数学处理模块的方法，扩大其测量范围，满足更广泛的使用要求。

本发明的技术方案是：一种智能化差压式流量传感装置，包括差压流量传感器2、差压信号转换装置3、测量结果积算模块4，其中差压流量传感器2安装在流体管路1上，依次与差压信号转换装置3、测量结果积算模块4连接，其测量结果积算模块4由模拟量转换、微处理器硬件模块和量程修正模块组成。

一种智能化差压式流量传感装置的设计方法，其具体设计步骤如下：

步骤一：在流体管路1上安装如权利要求1所述的智能化差压式流量传感装置，其中测量结果积算模块4的模拟量转换部分将差压信号转换装置3输送的模拟量电信号转换为微处理器硬件模块可接收的数字量信号，量程修正模块通过微处理器硬件模块完成流量测量修正函数的计算处理功能；

步骤二：流量计算修正

分步骤1：取得差压流量传感器2原始测量范围外测量特性信息

首先，对所要扩展的差压流量传感器2量程范围进行分段，在满足测量精度要求的前提下，选用尽可能少的标准流量测量装置5覆盖该扩展范围；

其次，在流体管路1不同的流量范围内，将对应范围的标准流量测量装置5安装于流体管路1上，在流体管路1上增加阀门6控制管道流量，使用对应范围的标准流量测量装置5和差压流量传感器2记录比对同一时刻分别得到的流量测量值；

最后，当流体管路1流量范围发生变化时，更换对应范围的标准流量测量装置5，完成全量程范围的比对测量，得到被测传感器原始测量范围外测量特性信息；

分步骤2：引入修正函数

根据分步骤1得到的被测传感器原始测量范围外测量特性信息，拟合计算得到补偿函数k(Δp)的表达式，当流体管路1流量瞬时值超过差压流量传感器2的既定量程范围时，流出系数C的变化超出了原来常量值所对应的误差范围，则流量计算公式由传统的计算公式：

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

变为引入流出系数C的修正函数的计算公式，公式如下：

$q_m=k\left(\mathrm{\Δp}\right)\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

其中，流出系数C、可膨胀性系数ε、直径比β、流量传感器孔径d均以常量看待，ρ1为流体在温度、压力动态变化条件下的密度修正值，Δp为差压测量值，由于函数k(Δp)是在预先设计的扩展量程范围内所作的修正结果，因此该修正函数与测量范围有一一对应关系，即当差压测量传感器2需要作不同扩展量程应用时，修正函数需重新设定。

步骤三：本发明涉及智能化差压式流量传感装置中的测量结果积算模块4的设计

分步骤1：硬件部分，测量结果积算模块4硬件部分由通用芯片电路构成，以流量测量精度为依据，选用足够有效位数的数模转换模块；以满足测量数据处理速度为原则，选用微处理器有效位数、工作主频参数和内存规模，数模转换模块与微处理器之间按照常规的电路连接方式连接，再配置就地测量结果显示电路，或数据远传电路，构成流量测量修正模块的硬件电路；

分步骤2：软件部分，分为三个运算模块设计：第一个运算模块根据差压传感器3采样得到的差压值，根据上述步骤二的分步骤2得到的传统流量值的修正值，计算出当前对应的修正函数k(Δp)的瞬时值；第二个运算模块完成传统流量计算功能，得到传统流量值；第三个运算模块将第一、第二运算模块计算的结果相乘，得到修正后的流量测量值。第一第二运算模块互为并行工作方式，二者与第三运算模块为串行工作方式。

分步骤3：将上步完成的软件部分固化安装在分步骤1完成的硬件电路结构中，完成测量结果积算模块4的设计。

本发明的有益效果是：可以在单一差压测量装置的条件下，不需增加差压测量单元，通过增加具有补偿功能的辅助计算模块的方法，解决量程限制问题，满足使用要求。在同样测量条件下可减少差压测量装置辅助测量硬件投入，降低设备成本，提高测量装置的适用性。

附图说明

图1是传统测量装置结构示意图；

图2是本发明装置结构示意图；

图3是比对试验装置结构示意图；

其中1为流体管路1，2为差压流量传感器，3为差压信号转换装置，4为测量结果积算模块，5为标准流量测量装置，6为阀门。

具体实施方式

参考图2，本发明涉及的一种智能化差压式流量传感装置包括差压流量传感器2、差压信号转换装置3、测量结果积算模块4，其中差压流量传感器2安装在流体管路1上，依次与差压信号转换装置3、测量结果积算模块4连接，其测量结果积算模块4由模拟量转换、微处理器硬件模块和量程修正模块组成。其中测量结果积算模块4的模拟量转换部分将差压信号转换装置3输送的模拟量电信号转换为微处理器硬件模块可接收的数字量信号，量程修正模块通过微处理器硬件模块完成流量测量修正函数的计算处理功能。

一种智能化差压式流量传感装置的设计方法，其具体设计步骤如下：

步骤一：在流体管路1上安装如权利要求1所述的智能化差压式流量传感装置，其中测量结果积算模块4的模拟量转换部分将差压信号转换装置3输送的模拟量电信号转换为微处理器硬件模块可接收的数字量信号，量程修正模块通过微处理器硬件模块完成流量测量修正函数的计算处理功能；

步骤二：流量计算修正

分步骤1：取得差压流量传感器2原始测量范围外测量特性信息

首先，对所要扩展的差压流量传感器2量程范围进行分段，在满足测量精度要求的前提下，选用尽可能少的标准流量测量装置5覆盖该扩展范围；

其次，在流体管路1不同的流量范围内，将对应范围的标准流量测量装置5安装于流体管路1上，在流体管路1上增加阀门6控制管道流量，使用对应范围的标准流量测量装置5和差压流量传感器2记录比对同一时刻分别得到的流量测量值；

最后，当流体管路1流量范围发生变化时，更换对应范围的标准流量测量装置5，完成全量程范围的比对测量，得到被测传感器原始测量范围外测量特性信息；

分步骤2：引入修正函数

根据分步骤1得到的被测传感器原始测量范围外测量特性信息，拟合计算得到补偿函数k(Δp)的表达式，当流体管路1流量瞬时值超过差压流量传感器2的既定量程范围时，流出系数C的变化超出了原来常量值所对应的误差范围，则流量计算公式由传统的计算公式：

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

变为引入流出系数C的修正函数的计算公式，公式如下：

$q_m=k\left(\mathrm{\Δp}\right)\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

其中，流出系数C、可膨胀性系数ε、直径比β、流量传感器孔径d均以常量看待，ρ1为流体在温度、压力动态变化条件下的密度修正值，Δp为差压测量值，由于函数k(Δp)是在预先设计的扩展量程范围内所作的修正结果，因此该修正函数与测量范围有一一对应关系，即当差压测量传感器2需要作不同扩展量程应用时，修正函数需重新设定。

步骤三：本发明涉及智能化差压式流量传感装置中的测量结果积算模块4的设计

分步骤1：硬件部分，测量结果积算模块4硬件部分由通用芯片电路构成，以流量测量精度为依据，选用足够有效位数的数模转换模块；以满足测量数据处理速度为原则，选用微处理器有效位数、工作主频参数和内存规模，数模转换模块与微处理器之间按照常规的电路连接方式连接，再配置就地测量结果显示电路，或数据远传电路，构成流量测量修正模块的硬件电路；

分步骤2：软件部分，分为三个运算模块设计：第一个运算模块根据差压传感器3采样得到的差压值，根据上述步骤二的分步骤2得到的传统流量值的修正值，计算出当前对应的修正函数k(Δp)的瞬时值；第二个运算模块完成传统流量计算功能，得到传统流量值；第三个运算模块将第一、第二运算模块计算的结果相乘，得到修正后的流量测量值。第一第二运算模块互为并行工作方式，二者与第三运算模块为串行工作方式。

分步骤3：将上步完成的软件部分固化安装在分步骤1完成的硬件电路结构中，完成测量结果积算模块4的设计。

实施例：

下面结合图2和图3，对本发明涉及的一种智能化差压式流量传感装置的设计方法进一步详细说明。

第一步，按照上述步骤一的要求，构造如图3所示的比对测量工作环境，差压流量传感器2和标准流量测量装置5以串联方式安装，且标准流量测量装置5安装于流体管路1的前端，智能化差压式流量传感装置安装于流体管路1的后端，两测量装置之间保持理论规定的直管段长度，以降低测量误差；

第二步，对扩展量程作分段处理。本例中流量传感器量程扩展前后增大一倍，因此选用两段方式作比对实验。

第三步、取得扩展量程下的真实流量测量值。

本步骤可采用两种方式实现，第一种方式是通过实验的方式取得；第二种方式通过查表的方式，两种方式均可得到流出系数C值的变化趋势。本实施例采取采用比对方式完成，比对方式的优点在于同时也修正了流量传感器2的机械加工误差对测量所带来的影响。比对过程操作方式如下：

a．按照均匀分布的方式设定要比对的流量测量点；

b．接通流体管路1，将阀门6控制调到最小流量流通状态；

c．观察差压流量传感器2和标准流量测量装置5的测量值，待稳定后记录各自的差压及流量测量值，完成一个单点测量过程；

d．调整阀门6至下一个测量点，按照步骤c方式完成第一个标准流量测量装置5所对应量程范围的全部测量点的采样；

e．更换另一个标准流量测量装置5，按照b、c、d步骤完成剩余点的采样测量。

第四步，根据第三步比对测量采样值，用table curve函数拟合工具软件，拟合计算得到补偿函数k(Δp)的表达式如下：

k(Δp)＝1.25373-0.50716Δp+0.5258Δp²-0.31428Δp³+0.09338Δp⁴-0.01067Δp⁵

第五步，构造差压测量装置2的流量修正计算公式；

将C、ε、β、d、ρ1等常量代入下列表达式

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

得到简化结构表达式：

$q_m=k\·\sqrt{\mathrm{\Δp}}$

式中，k=83059.36，引入本发明的修正函数后，原流量计算公式变形为：

$q_m=k\·k\left(\mathrm{\Δp}\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δp}}$

第六步，硬件配置。测量结果积算模块4硬件部分由通用芯片电路构成，以流量测量精度为依据，选用足够有效位数的数模转换模块；以满足测量数据处理速度为原则，选用微处理器有效位数、工作主频参数和内存规模，数模转换模块与微处理器之间按照常规的电路连接方式连接，再配置就地测量结果显示电路，或数据远传电路，构成流量测量修正模块的硬件电路。本例采用通用32位工控机和16位模拟量采集板构成硬件电路。

第七步，流量修正公式模块化处理，按照方案设计，软件分三个运算模块：第一个运算模块根据差压传感器3采样得到的差压值，根据上述步骤二的分步骤2得到的传统流量值的修正值，计算出当前对应的修正函数k(Δp)的瞬时值；第二个运算模块完成传统流量计算功能，得到传统流量值；第三个运算模块将第一、第二运算模块计算的结果相乘，得到修正后的流量测量值。第一、第二运算模块互为并行工作方式，二者与第三运算模块为串行工作方式。软件调试完成后，编译固化形成可执行文件写入工控机，并和模拟量转换板一起构成测量结果积算模块4。

在通电状态下，结果积算模块4即进入顺序循环工作模式，第一步由差压测量装置3将流量信号转换为电信号进入数模转换模块完成测量值采样；第二步根据采样值计算修正函数k(Δp)的当前值；第三步在原来流量计算方式的基础上对流量进行计算；第四步按照要求输出流量测量值，完成一个测量过程，进入下一次测量过程。

如下为本发明涉及的差压测量装置2的测量工况，以压力和温度恒定状态为参考点。

从以上表格可以看出，未修正前测量误差在±5%以内只有差压0.9～2.8范围内，采用修正措施后，在0.2～2.8范围内理论误差均小于±0.3%，使用效果良好。

Claims (4)

1.一种智能化差压式流量传感装置，包括差压流量传感器（2）、差压信号转换装置（3）、测量结果积算模块（4），其中差压流量传感器（2）安装在流体管路（1）上，依次与差压信号转换装置（3）、测量结果积算模块（4）连接，其特征在于：测量结果积算模块（4）由模拟量转换、微处理器硬件模块和量程修正模块组成。

2.一种智能化差压式流量传感装置的设计方法，其具体设计步骤如下：

步骤一：在流体管路（1）上安装如权利要求1所述的智能化差压式流量传感装置，其中测量结果积算模块（4）的模拟量转换部分将差压信号转换装置（3）输送的模拟量电信号转换为微处理器硬件模块可接收的数字量信号，量程修正模块通过微处理器硬件模块完成流量测量修正函数的计算处理功能；

步骤二：流量计算修正

分步骤1：取得差压流量传感器（2）原始测量范围外测量特性信息

首先，对所要扩展的差压流量传感器（2）量程范围进行分段，在满足测量精度要求的前提下，选用尽可能少的标准流量测量装置（5）覆盖该扩展范围；

其次，在流体管路（1）不同的流量范围内，将对应范围的标准流量测量装置（5）安装于流体管路（1）上，在流体管路（1）上增加阀门（6）控制管道流量，使用对应范围的标准流量测量装置（5）和差压流量传感器（2）记录比对同一时刻分别得到的流量测量值；

最后，当流体管路（1）流量范围发生变化时，更换对应范围的标准流量测量装置（5），完成全量程范围的比对测量，得到被测传感器原始测量范围外测量特性信息；

分步骤2：引入修正函数

根据分步骤1得到的被测传感器原始测量范围外测量特性信息，拟合计算得到补偿函数k(Δp)的表达式，当流体管路（1）流量瞬时值超过差压流量传感器（2）的既定量程范围时，流出系数C的变化超出了原来常量值所对应的误差范围，则流量计算公式由传统的计算公式：

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

变为引入流出系数C的修正函数的计算公式，公式如下：

$q_m=k\left(\mathrm{\Δp}\right)\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{p\ρ}}_1}$

其中，流出系数C、可膨胀性系数ε、直径比β、流量传感器孔径d均以常量看待，ρ1为流体在温度、压力动态变化条件下的密度修正值，Δp为差压测量值，由于函数k(Δp)是在预先设计的扩展量程范围内所作的修正结果，因此该修正函数与测量范围有一一对应关系，即当差压测量传感器（2）需要作不同扩展量程应用时，修正函数需重新设定。

步骤三：本发明涉及智能化差压式流量传感装置中的测量结果积算模块（4）的设计

分步骤1：硬件部分，测量结果积算模块（4）硬件部分由通用芯片电路构成，以流量测量精度为依据，选用足够有效位数的数模转换模块；以满足测量数据处理速度为原则，选用微处理器有效位数、工作主频参数和内存规模，数模转换模块与微处理器之间按照常规的电路连接方式连接，再配置就地测量结果显示电路，或数据远传电路，构成流量测量修正模块的硬件电路；

分步骤2：软件部分，分为三个运算模块设计：第一个运算模块根据差压传感器（3）采样得到的差压值，根据上述步骤二的分步骤2得到的传统流量值的修正值，计算出当前对应的修正函数k(Δp)的瞬时值；第二个运算模块完成传统流量计算功能，得到传统流量值；第三个运算模块将第一、第二运算模块计算的结果相乘，得到修正后的流量测量值。第一、第二运算模块互为并行工作方式，二者与第三运算模块为串行工作方式。

分步骤3：将上步完成的软件部分固化安装在分步骤1完成的硬件电路结构中，完成测量结果积算模块（4）的设计。

3.如权利要求2所述的一种智能化差压式流量传感装置的设计方法，其特征在于：步骤二下的分步骤1所述的取得差压流量传感器（2）原始测量范围外测量特性信息的方式为通过查找流出系数C表取得。

4.如权利要求2所述的一种智能化差压式流量传感装置的设计方法，其特征在于：步骤二下的分步骤2所述的拟合计算，采用table curve函数拟合工具软件完成。

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