CN101769773B - 数字一体化质量涡街流量计 - Google Patents

Abstract

一种数字一体化质量涡街流量计，包括表体、传感器、放大器、输出和显示装置，其特征在于：第一.采用幅频特性识别技术，根据幅频特性模型识别傅立叶频谱，改善下限测量能力；第二.采用线性化校正技术，分段计算流量，用流量反算频率输出，提高精度；第三.采用复合传感器，一体化测量温度、压力，为蒸汽状态识别和质量流量计算提供数据；第四.采用蒸汽状态识别技术，通过温度、压力判断蒸汽状态计算密度；第五.在改善体积流量测量和蒸汽状态识别的基础上，通过流量补偿技术，实现一体化质量流量测量。在实测过程中，它彻底消除了现有的涡街流量计抗震性差、抗干扰能力低、测量死区大、线性差等缺点，可大幅降低起测流速同时提高量程比和精度。

Description

数字一体化质量涡街流量计

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及涡街流量计数字化信号处理和温度、压力一体化测量、蒸汽状态识别与推导式质量流量测量技术。

背景技术

涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流量仪表。仪表内安有阻力元件(旋涡发生器)，当流体到达一定流速流过阻力元件时，将会在其下游稳定地产生两列交替出现并排列整齐的旋涡(涡街)，该旋涡的频率在一定的雷诺数范围内，同流体的流速成正比。据此，通过检测旋涡频率，并已知管道截面积，就可以得出流体的体积流量。

现有涡街流量计存在如下问题：

1)下限测量能力低。由于本身基于震动原理工作，传感器信号不可避免地会包含震动和电磁干扰信号；零流量时有效信号幅度为零，电磁和震动干扰信号的存在，使信噪比＝0，导致不归零；并且有效信号幅度与流速呈平方关系，小流量时有效信号幅度平方下降，又使信噪比＜1，导致小流量测量困难。

(2)线性度差。线性度受雷诺数影响，在10∶1量程比范围内，对气体最高线性精度只能达到1.5％。

(3)测量工况下的体积流量。流量读数将随压力、温度改变，对可压缩流体在压力、温度变化较大的情况下，会产生很大的质量流量误差。通常的密度修正方法测量质量流量需要另外安装压力、温度仪表，环节多、成本高不便实施。

(4)对水蒸汽测量，没有状态识别功能。因为水蒸气测量经常存在三变问题，一是因为节流或温度下降，使饱和蒸汽变为过热蒸汽或过热蒸汽变为饱和蒸汽，产生性变；二是因为饱和蒸汽含水量变化，产生湿变；三是因为冷凝变为水，产生相变。在三变情况下如果用一种固定的密度模型计算密度，必然产生远超过标定状态的误差。蒸汽相对水、气是一种贵重的二次能源，本该有更准确的计量精度，但受三变问题影响，普遍存在比水、气计量更大的误差；涡街流量计做为蒸汽测量的重要手段，尤其应该解决。

中国专利申请案200410019008.9提出了一种《低功耗数字式涡街流量计》，它采用微控器MCU和DSP(数字信号处理器)组合及嵌入式松弛陷波算法进行数字信号处理，力求解决功耗和下限测量与抗震性差等问题。另外还有傅立叶分析、自适应滤波等类文章发表，主要研究压电传感器信号处理方法。傅立叶分析提出通过搜索傅立叶频谱最大值确定频率，自适应滤波提出采用6段频带，根据传感器特性确定频带进行数字滤波确定频率。都没有涉及幅频特性识别、线性化校正、蒸汽状态识别、一体化质量流量测量技术。

中国专利申请号03820649.9和200510025080.7分别公开了《用涡街原理测量管道质量流量的方法》和《涡街质量流量检测方法》。一类技术是通过压电传感器或差动电容传感器同时测量频率和幅值实现；一类是通过测量旋涡发生体前后差压和频率实现；实际体验，准确测量传感器的频率、幅值和差压都很困难，在没有解决频率测量这个关键问题的情况下，也无法准确测量质量流量；并且目前缺少质量流量标准装置，标定困难；所以这些产品实际并不多见。

发明内容

本发明通过幅频识别和线性化手段，首先解决体积流量测量的下限和精度问题；再通过复合传感器和流量补偿技术，实现一体化质量流量测量；因此称为《数字一体化涡街质量流量计》。

本发明《数字一体化涡街质量流量计》，包括表体、传感器、放大器、输出和显示装置，其特征在于：第一.采用幅频特性识别技术，根据幅频特性模型识别傅立叶频谱，改善下限测量能力；第二.采用线性化校正技术，分段计算流量，用流量反算频率输出，提高精度；第三.采用复合传感器，一体化测量温度、压力，为蒸汽状态识别和质量流量计算提供数据；第四.采用蒸汽状态识别技术，通过温度、压力判断蒸汽状态计算密度；第五.在改善体积流量测量和蒸汽状态识别的基础上，通过流量补偿技术，实现一体化质量流量测量。

本发明所说的幅频特性识别技术，首先对采样过程进行增益控制和采样频率自适应调节，以保证采样信号不失真；再对采样信号进行傅立叶变换和干涉修正，选出信号频谱中符合幅频特性的频率为测量频率。这样，可以克服震动与干扰，降低起测流速。对于常压气体由6米/秒降到3米/秒；而对于液体可由0.4米/秒降到0.2米/秒。

本发明所说的线性化校正技术，是通过标定分段获得仪表系数，根据每段仪表系数计算流量，用流量和平均仪表系数反算频率，用脉冲发生器将计算频率输出。这样，可克服非线性误差，提高量程比和精度。其中量程比：气体由10∶1提高到20∶1；液体由20∶1提高到40∶1；精度：气体由±1.5％提高到±0.5％；液体由±1.0％提高到±0.5％。

本发明所说的复合传感器技术，包括压电与温度传感器和压力复合传感器：(1)在普通压电传感器内封装测温元件，使之同时输出流量和温度信号；(2)在涡街表体内通过焊接引压管和隔离器装配压力传感器，使之可以输出管道压力信号。

本发明所说的蒸汽状态识别技术，是以热力学为依据，根据温度、压力判断蒸汽状态从而计算密度：

1.温度～压力满足饱和关系，确定饱和蒸汽干度后计算密度；

2.温度＞饱和温度，按过热蒸汽计算密度；

3.温度＜饱和温度，按饱和水计算密度。

本发明所说的一体化质量流量测量技术，是通过复合传感器整体测量体积流量和温度、压力后，区别介质类型正确计算密度，再通过体积流量与密度的乘积得出质量流量。

本发明的数字一体化质量涡街流量计，在设计时考虑到抗干扰地问题，还采用隔离电源模块将24伏直流电源分为模拟电源、数字电源和通讯电源并联的三个部分，其中模拟电源对电荷放大器、温度放大器、压力放大器、数控放大器和抗混迭模块供电；数字电源对数控放大器和MC供电；而通讯电源对通讯电路供电。数字电源与通讯电源之间用隔离模块隔离。

本发明所建立的涡街信号幅频特性模型如下：

$S=K_A{K}_C{K}_D\×\frac{f/f_T}{\sqrt{1+{(f/f_T)}^2}}\×\frac{\mathrm{\α\γ}}{C_T{S}_t}\×D^2\×f^2$

式中，S是频谱幅值，K_A是A/D转换系数，K_c、K_D是两级数控放大器当时的放大倍数， $f_t=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_t{C}_t}$ 是电荷放大器转折频率，C_T是反馈电容，D是测量口径，α是传感器系数，γ是介质密度，f是频谱频率。

因为，K_A、C_T、D均为常数，α在小范围内也可视为常数。令 $A=\frac{K_A\mathrm{\α}}{C_T{S}_t}$ 为传递系数，上式变为：

$S=A{K}_C{K}_D\×\frac{f/f_t}{\sqrt{1+{(f/f_t)}^2}}\mathrm{\γ}\×D^2\×f^2$

K_c、K_D可从数控放大器读取，γ可计算确定，只要确定了A，S与f的关系即可确定。但A含α和S_t理论无法确定且存在非线性，需要分段实验求取。

事先在流量标准装置上对装配完成的产品，在全频率范围内分i＝0、1、…7点进行实验，因为实验环境信噪比＞1，傅立叶分析有效可得到f_i，再通过f_i找到S_i，计算：

$A_i=\frac{S_i}{K_{\mathrm{Ci}}{K}_{\mathrm{Di}}{\mathrm{\γ}}_i{D}_i^2{f}_i^2}\·\frac{\sqrt{1+{(f_i/f_t)}^2}}{f_i/f_t}.$

这样，不同频段的A_i便为已知。

测量过程，介质密度、放大倍数会随机调整，测量管径也可能不同，采用下标j表示，并认为同一频段和同一传感器A_i不变，有：

$S_j=A_i{K}_{\mathrm{Cj}}{K}_{\mathrm{Dj}}{\mathrm{\γ}}_j{D}_j^2\frac{f_j/f_T}{\sqrt{1+{(f_j/f_T)}^2}}\×{f_j}^2$

依据该式，读取K_Cj、K_Dj、D_j、γ_j，再从当前频谱最大幅值开始依次取出f_j，用f_j搜索出相近频段的A_i代入上式，可计算满足当前幅频关系的理论值S_j。

用S_j计算与当前实际频谱幅值的相对误差，可判断f_j是否是真实频率。

设当前频谱实际幅值为S_Fj，实际密度γ_Fj。S_j与S_Fj的相对误差：

${\mathrm{\δ}}_j=\frac{|S_j-S_{\mathrm{Fj}}|}{S_j}=\frac{|{\mathrm{\γ}}_j-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Fj}}|}{{\mathrm{\γ}}_j}$

如果δ_j＝0，说明S_Fj为真实幅值，当前的f_j就是测量频率。但因为模型和测量与计算过程误差，密度变化等因素都会导致δ_j不可能为零。所以需在线整定，使δ_j既能满足下限测量又能保证归零为准。

本发明采用的分段校正脉冲生成方法具体如下，考虑到涡街流量计流量与频率的关系受雷诺数影响，当雷诺数＜2×10⁴时会出现3％左右的非线性误差。为此，本发明根据校验规程取8个校验点通过标定获得8段仪表常数，根据每段仪表常数分段计算流量。8个校验点为：

Q_min，0.07Q_max，0.15Q_max，0.25Q_max，0.4Q_max；0.7Q_max，0.8Q_max和Q_max。

标定过程记录每个校验点的系数K_i和平均系数K及拐点频率，f₁，f₂……f₈保存。

测量频率后，通过与f₁，f₂……f₈比较，确定出当前频率所在的频段，找出K_i，则该频段的流量：

Q_i＝f_i/K_i

再取初始标定的平均仪表系数K，计算输出频率：

f＝KQ_i

该频率用脉冲发生器输出。由于f与Q_i之间系数始终是K，所以必然满足线性关系，这就保证了线性精度。

因为大部分单组分介质密度都可以通过温度、压力确定，本发明考虑成本、结构等因素后，在设计复合传感器的基础上，又设计了温度放大器、压力放大器，两种放大器输出分别送到MCU的A/D转换接口，MCU就可采集温度、压力，再通过嵌入软件区别介质计算密度。对液体用温度计算密度；对气体用温度、压力计算密度；对蒸汽经温度、压力判断确定密度模型计算密度。将计算密度与体积流量相乘，便实现了一体化质量流量测量。

本发明是采用幅频特性识别、线性化校正、蒸汽状态识别等数字化技术和温度、压力一体化测量技术研制的新一代涡街流量计。它彻底消除了传统涡街流量计抗震性差、抗干扰能力低，测量死区大、线性差的缺点。可大幅降低起测流速同时提高量程比和精度。同时具有温度、压力复合传感器，可以一体化测量温度、压力计算质量流量；还可以自动识别蒸汽状态，克服蒸汽相变、湿变和性变的误差；并具有485通讯、脉冲或4～20mA输出和液晶显示体积流量、质量流量、累积流量、温度、压力、密度、采样波形、信号频谱等功能，可以直接判断传感器故障和干扰情况。以全新的模式，为气体和中、低温蒸汽测量提供了更为理想的选择。

附图说明

图1是本发明的总体硬件框图、图2是本发明的主程序框图，图3和图4分别是本发明的流量信号和温度、压力信号采样程序框图；图5是幅频分析软件框图；图6是压电、温度复合传感器结构简图；图7是压力传感器结构简图；图8是微控器电路图；图9是频率采样电路图；图10是脉冲/电流输出电路图；图11是温度采样电路图；图12为压力采样电路图。在图6、7中，1传感器壳体；2金属架；3压电元件；4铂电阻片；5高温封灌胶；6信号中线；7电极引线；8铂电阻引线；9漩涡发生器；10涡街表体；11压电、温度复合传感器；12压力传感器；13隔离罐；14填充液；15引压管；16支杆；17放大器引线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明与补充

一、先看硬件的配备和和各部分的连接关系：

如图1所示，图中左侧第一个方块为表体与复合传感器，复合传感器包括压电与温度复合传感器和压力复合传感器。压电与温度复合传感器通过一个壳体装配到涡街表体上，压力复合传感器直接装配到涡街表体上。表体与复合传感器共同作用，可以同时检测管道内流体的涡街频率与温度、压力信号。

图中其余部分为数字处理器硬件组成。其中，电荷放大器、数控放大器、抗混叠电路串联，组成流量采样电路；温度放大器、压力放大器，分别组成温度、压力采样电路；MCU(单片机)和EEPROM(电可擦写存储器)组成微控器电路；键盘和液晶显示电路，组成人机接口电路；PWM(脉宽调制)输出和通讯电路，组成脉冲或电流输出和485通讯接口；电源模块，组成电源电路。

电源模块，将24V直流工作电源通过DC/DC(直流/直流)变换，提供模拟、数字、通讯三类隔离电源，实现模拟、数字和输入与输出的隔离。

流量采样电路，将压电传感器信号进行电荷和电压放大，再通过抗混叠电路，使压电传感器信号变为A/D接口所能接受的电平，供MCU采样。

温度和压力采样电路，分别将温度传感器输出的热电阻信号和压力传感器输出的mV信号，调理为A/D接口所能接受的电平，供MCU采样。

人机接口电路，将按键转化为I/O电平变化，并将MCU发出的I/O电平转换为液晶图形或数字形态。供MCU识别按键和显示。

PWM输出电路，将MCU发出的频率或脉宽调制信号转换为脉冲或4～20mA信号。

通讯电路，将MCU的URT信号转换为485通讯接口，实现远距离半双工串行通讯。

微控器电路，提供MCU工作条件和控制核心。MCU的SPI接口同时与EEPROM和数控放大器相连，实现EEPROM读写和数控放大器的放大倍数控制；A/D接口接受流量、温度、压力采样电路输出信号，实现流量、温度、压力采样；PCA接口与PWM输出电路相连，实现PWM输出电路控制；URT接口与通讯电路相连，实现通讯发送和接收；I/O与人机接口电路相连，实现键盘识别与显示。

二、其次看各个软件的连接关系：

如图3、4所示。包括主程序和两个中断程序，嵌入在MCU当中与硬件配合完成各项功能。主程序完成傅立叶变换FFT、幅频分析、体积流量计算、密度计算、蒸汽状态识别、质量流量计算、流量累积、键处理、频率或4～20mA线性化输出、液晶显示、串行通讯，等功能。中断程序包括流量信号采样中断和温度、压力信号采样中断程序，流量信号中断程序完成1024点流量信号采样，为傅立叶分析提供采样值。温度、压力采样中断程序完成温度、压力采样，为密度计算或蒸汽状态识别提供采样值。

三、下面再对本发明所包含的各项技术依序作更为详细的说明：

3.1、微控器电路

微控器电路是本发明技术实现的共用电路，用MCU和随机存储器2个芯片U10、U12组成，具有成本低、体积小的特点。如图8所示，U10是C8051F12X系列单片机，具有发明技术所要求的全部控制资源。内含128K闪变程序存储器和8.4K随机存储器，可直接固化程序和带有数据存贮器；SPI总线，可简单通过4根连线实现外部存储器总线扩展；8路12位ADC和8路10位ADC，取其中3路可直接实现流量、温度、压力的采样；6个PCA，取其中之一可实现PWM控制，2个URT，取其中之一可实现通讯控制；多个I/O口，可直接驱动液晶显示器和接受键盘信号。U12是FM25L04铁电存储器(EEPROM)，具有掉电保护与SPI总线等功能，可做为扩展非易失随机存储器，存储累积量和设定与记录数据。U10的SCK、SI、SO管脚，分别为SPI的时钟和串行数据输入、输出总线。通过U10与U12的对应管脚相连，实现对U12的读写。

3.2、幅频特性识别技术

包括幅频特性识别方法、流量采样电路、幅频特性模型和幅频分析程序四部分。

3.2.1、幅频特性识别方法

首先通过增益和采样频率自适应调节，保证不失真采样压电传感器信号；再将采样信号进行傅立叶变换和干涉修正，选出信号频谱中符合幅频特性的频率为测量频率。可以避免数字滤波频带设计和频谱最大幅值分析产生的错误，保证零点和小流量测量。

它与数字滤波方法的区别是不需要设计滤波频带，而是在整个工作频带内搜索有效频率。自适应滤波方法通常是设计带通滤波器使有效信号通过，无效信号衰减，只适用于有效信号和干扰信号频率不同的场合。而涡街流量计存在50HZ工频干扰，50HZ经常是工作频率无法靠滤波消除；其它干扰频率没有确定性，所以不宜采用。

它与频谱最大幅值分析方法的区别是，不是按幅值最大确定有效频率，而是按幅值与频率是否满足特定关系确定有效频率。因为涡街流量计由流体动力学决定，其有效信号幅值与频率呈平方关系，而干扰信号不受流体动力学限制，幅值与频率不会存在这种平方关系，幅值再大未必是有效信号，幅值再小未必不是有效信号。而频谱最大幅值分析是在采样信号频谱中，按最大幅值原则确定真实频率。但因为采样信号在零流量时真实信号幅值为零，干扰信号存在使信噪比是零；在小流量时真实信号幅值随频率平方下降，干扰信号与流量无关，使信噪比＜1，在这两种情况下，按幅值最大确定有效频率，必然产生错误。

3.2.2、流量信号采样电路

主要作用是对涡街压电传感器信号进行调理，将电荷信号调整到A/D转换能够接受的电平，同时能对放大倍数数控调整，实现不失真采样。电路原理如图8、9所示，图8是上述微控器电路，图9是流量信号调理电路。图9中，(1)是电荷放大器，(2)是数控放大器，(3)是抗混叠电路。压电传感器信号经电荷放大器(1)转变为电压信号进入数控放大器(2)；数控放大器(2)输出送给抗混叠电路(3)，抗混叠电路(3)根据设定的最高频率对输入信号进行滤波，滤掉高频干扰，防止信号混叠；输出送给U12的AD+、AD-两端，便可由固化在U10的采样程序获得流量采样值。同时通过U10的SCK、SI、SO管脚与数控放大器(2)的对应管脚相连，实现采样过程对放大倍数控制，保证采样不失真。

3.2.3、幅频特性模型

由流量信号采样电路可得：

$S=K_A{K}_C{K}_D\×\frac{f/f_T}{\sqrt{1+{(f/f_T)}^2}}\×\frac{q}{C_T}---\left(1\right)$

式中，S是采样幅值，K_A是A/D转换系数，K_c、K_D是两级程控放大器的放大倍数， $f_t=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_t{C}_t}$ 是电荷放大器转折频率，C_T是反馈电容，q是传感器输出电荷。

因为压电传感器输出电荷：

q＝d₃₃F           (2)

式中，d₃₃是压电系数，F是作用到压电传感器的涡街升力。

而涡街升力：

F＝αγv²                  (3)

式中，α是升力系数，γ是介质密度，v是旋涡发生体两侧流体的流速。

又根据涡街流量计原理，流速：

$v=\frac{0.281D}{S_t}f---\left(4\right)$

式中，D是测量口径，0.281是旋涡发生体尺寸与D的比值。S_t是施特劳哈尔数，f是测量频率。

将(2)、(3)、(4)，代入(1)，整理，最后得：

$S=K_A{K}_C{K}_D\×\frac{f/f_T}{\sqrt{1+{(f/f_T)}^2}}\×\frac{d_{33}\mathrm{\α\γ}}{C_T}\×{\left(\frac{0.281D}{S_t}\right)}^2\×f^2---\left(5\right)$

选择足够大的R_t、C_t，可使最低测量频率f_L＞＞f_t， $\frac{f/f_t}{\sqrt{1+{(f/f_t)}^2}}\≈1;$ 再按数据特点重新组合，(5)式变为：

S＝ABγ×f²                       (6)

式中， $A=\mathrm{\α}{d}_{33}\frac{K_A}{C_T}{\left(\frac{0.281D}{S_t}\right)}^2,$ B＝K_CK_D。

分析(6)式，A为常数，B可由程控放大器读取，γ可计算或设定。在B、γ确定后，S与f的关系就可由A确认，故A称幅频系数。已知A，再比较实际采样频率与幅值的关系即可确定频率。但因为A与α、d₃₃和S_t有关，难以确定并存在非线性，故采用分段测试方法。

设计专门测试功能，设定γ_0i和读取B_0i，并在信噪比＞1条件下，通过傅立叶分析获得S_0i、f_0i，按(6)式测出不同频段的幅频系数 $A_{0i}=\frac{S_{0i}}{B_{0i}{\mathrm{\γ}}_{0i}{f_{0i}}^2},$ i＝1、2…8。

记录A_0i和f_0i，真实信号的幅频关系便为已知。

实际测量过程，每测量一组数据又可计算： $A_i=\frac{S_i}{B_i{\mathrm{\γ}}_i{f_i}^2},$

在相同频段比较A_i与A_0i，如果A_i＝A_0i，说明S_i与f_i满足幅频特性，f_i就是测量频率；否则，f_i不能认定是真实频率。

实际过程并非理想，必须允许一定的偏离，故计算相对误差： ${\mathrm{\δ}}_i=\left|\frac{A_i-A_{i0}}{A_{I0}}\right|$

同时设定允许误差δ₀。如果δ_i≤δ₀，对应的f_i即是信号频率。

3.2.4、幅频分析程序

幅频分析程序框图如图5所示。采样结束，首先进行FFT(快速傅立叶变换)和干涉修正，获得信号频谱，并确定频谱数量M和排列频谱峰值；接着循环按M值，逐个计算当前幅频系数A_i和记录相同频段的幅频系数A_0i的相对误差δ_i。如果在M个计算当中找到δ_i≤δ₀项，既确定为真实频率；如果经M个计算没找到δ_i≤δ₀项，既确定真实频率为零。

3.3、线性化校正技术

包括线性化校正方法、PWM输出电路与驱动程序两部分。

3.3.1、线性化校正方法

因为涡街流量计基本方程：

f＝KQ

式中，f是涡街流量计输出频率，Q是体积流量，K是仪表常数。

通常把f直接输出，再标定出K计算流量Q。

f与Q之间的线性度由K决定，流量计的精度也主要由K的线性度决定。对气体在10∶1量程比内，K变化可以高达5％。为了改善这种非线性提高测量精度，本发明通过标定分段获得仪表常数，根据每段仪表常数分段计算流量；再用流量和平均仪表常数计算频率，用PWM电路对计算频率输出。克服了直接输出频率，无法调整流量与频率非线性关系的局限。

根据检定规程取校验点为：

Q_min，0.07Q_max，0.15Q_max，0.25Q_max，0.4Q_max；0.7Q_max，0.8Q_max和Q_max。

标定过程记录每个校验点的仪表系数K_i和平均仪表系数K及拐点频率，f₁，f₂……f₈保存。

测量频率后，通过与f₁，f₂……f₈比较，确定出当前频率所在的频段，找出K_i，则该频段的流量：

Q_i＝f_i/K_i

再取平均仪表系数K，计算输出频率：

f＝KQ_i

该频率用PWM电路输出。

由于Q_i是用最贴近当前频段的K_i计算，所以非线性误差很小；又由于f与Q_i之间系数始终是K，所以必然满足线性关系，精度就由重复性决定；涡街流量计的重复性误差在0.16％以内，所以线性化后产品的误差可控制在0.5％以内，就保证了线性精度。

3.3.2、PWM输出电路

如图10所示，它由恒流源开关和脉冲与电流输出电路组成。

■恒流源开关电路：由电阻RF6、RF8、RF9，三极管Q1、Q2，稳压管D1和光电耦合器OP1、OP2，电阻RF1、RF3、RF2、RF4组成。RF9、D1、Q2形成稳压电路，由D1向Q1基级提供6.2V稳定电压V_D，使Q1集电极电流I_C≈I_E＝V_D/RF6稳定。光电耦合器OP1、OP2形成开关电路，控制端分别接MCU的PCEX0、CEX0和PT4、T4，输出端C、E并联后串接到Q1集电极。以便MCU可选择控制C、E导通，使V₃形成矩形脉冲。

当PCEX0或PT4为低，同时CEX0或T4为高时，光电耦合器截止：

V₃＝V_cc

当PCEX0或PT4为高，同时CEX0或T4为低时，光电耦合器导通：

$V_3=V_{\mathrm{CC}}-I_C\×\mathrm{RF}8=V_{\mathrm{CC}}-\frac{V_D}{\mathrm{RF}6}\mathrm{RF}8,$

■脉冲输出电路：由运放U7A、电阻RF10、RF11、RF12、RF5和三极管Q5、Q3组成。U7A形成跟随器，高阻跟踪V₃输出V₁，一路送到电流输出电路，一路经RF10送到Q5的基极。Q5、RF10、RF11、RF12组成电平变换电路，将V₃对V_CC固定电平转变为对24V-端固定电平，以便获得标准脉冲电平输出；

V₃＝V_CC时，Q5截止，Q3基极电平＝0，使脉冲输出低电平FO＝0

$V_3=V_{\mathrm{CC}}-\frac{V_D}{\mathrm{RF}6}$ RF8时，Q5导通，Q3基极电平通过RF11、RF12分压得到6.6V，经Q3和RF5组成射随器输出，使脉冲输出高电平FO＝6V。

■脉冲频率控制：在脉冲输出方式下，控制信号CEX0和T4分别来自PCA的高速和方波输出，PCEX0、PT4来自I/O口。当输出频率大于10HZ时，采用T4控制，输出频率：

$f=\frac{f_{\mathrm{rclk}}}{16\×(65536-\mathrm{RCAPn})}$

式中，f_rclk为晶震频率，f_rclk＝11MHZ；RCAPn为16为频率控制寄存器内容。

f确定后，通过该式可计算出RCAPn值，送入RCAPn即可。

但该方式由RCAPn置数范围0～65535决定，频率输出范围：

$f_{\min }=\frac{11000000}{16\×(65536-0)}=10~f_{\max }=\frac{11000000}{16\×(65536-65535)}=687500\left(\mathrm{HZ}\right)$

所以，当输出频率小于10HZ时，MCU可自动改用CEX0控制。

CEX0高速控制，在考虑低频输出的同时还要考虑满足最大输出频率要求。所以需要计算时基数：

$\mathrm{TT}=65536-\mathrm{int}\left(\frac{f_{\mathrm{rclk}}}{800\×f_{O\max }}\right)$

将TT送入PCAP2寄存器，再计算时基频率：

$f_{2\mathrm{clk}}=\frac{f_{\mathrm{rclk}}}{16\×\mathrm{flot}(65536-\mathrm{TT})}.$

根据时基频率和输出频率叠加装载PCA0CPL0寄存器内容：

$\left(\mathrm{PCA}0\mathrm{CPL}0\right)=\mathrm{XXX}+\mathrm{int}\left(\frac{f_{2\mathrm{clk}}}{2f}\right)$

式中，int(xxx)、flot(xxx)分别代表对括号内数据xxx取整和取xxx浮点数，f_Omax、f代表设定最大频率和输出频率。

■电流输出电路：由电阻RF13、RF14、RF15，电容CF1，运放U7B和复合三极管Q4、Q6组成。首先控制信号采用CEX0，PCA工作方式编程为16位脉宽调制方式，使V₃成为周期T一定，高电平持续时间T_w变化的脉冲信号，由U7A跟踪输出V₁送到RF13与CF1形成RC滤波网络，产生滤波电压V₅送U7B。U7B和RF14、RF15、Q4、Q6形成V/I转换电路，U7B一方面V₆接Q6发射极，另方面V₇经RF14接Q6基极，形成电流负反馈，从而控制Q6发射极电流I₀。虽然输出电流是Q4的发射极电流，在Q4、Q6组成复合三极管情况下，输出电流几乎就是I₀，所以控制I₀就是控制输出电流。

■电流表达式

因为：

$I_o=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_6}{\mathrm{RF}!5}---\left(1\right)$

V₆＝V₅           (2)

V₅受电容控制，不能突变与电容的平均值u_c有关：

V₅＝V_cc-u_c。(3)

由(1)、(2)、(3)可解：

$I_o=\frac{\stackrel{\‾}{u_c}}{\mathrm{RF}!5}---\left(4\right)$

求出u_c，便可确定I₀，所以分析u_c。

设电容两端电压u_c，周期平均值：

$\stackrel{\‾}{u_c}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{u}_c\mathrm{dt}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T_W}{\∫}}{u}_{c1}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}\underset{T_W}{\overset{T}{\∫}}{u}_{c2}---\left(5\right)$

为实现积分，需要分析u_c表达式。为此，建立滤波网络微分方程：

$T_C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}+u_c=V_{\mathrm{cc}}-V_1$

式中，T_C＝RF13·CF1＝220ms，是RC滤波时间常数。

当0≤t≤T_W时，因为V₁＝V₃＝V_cc，有：

$T_C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}+u_c=0,$ 解：

u_c1＝0              (6)

当T_W≤t≤T时，因为 $V_1=V_3=V_{\mathrm{CC}}-\frac{V_D}{\mathrm{RF}6}\mathrm{RF}8,$ 有：

$T_C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}+u_c=\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}{V}_D,$ 解：

$u_{c2}=\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}{V}_D(1-e^{-\frac{t-T_W}{T_c}})---\left(7\right)$

将(6)、(7)代入(5)，有：

$\stackrel{\‾}{u_c}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T_w}{\∫}}0\mathrm{dt}+\frac{1}{T}\underset{T_w}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}{V}_D(1-e^{-\frac{t-T_W}{T_c}})\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}\frac{V_D}{T}[T-T_W+T_C(e^{-\frac{T-T_W}{T_C}}-1)]$

让T_C＞＞T_W，有：

$\stackrel{\‾}{u_c}=\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}{V}_D\left(\frac{T-T_W}{T}\right).$

将该式代入(4)，得：

$I_o=\frac{T-T_W}{T}\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}\frac{V_D}{\mathrm{RF}15}---\left(8\right)$

■电流分辨率：代入，T＝1.5ms，RF6＝2K，RF8＝1.8K，RF15＝240，V_D＝6V，可得：

$I_0=\frac{1.5-T_W}{1.5}\×22.5\left[\mathrm{mA}\right]$

对I₀＝4mA，T_W＝1.2Ms；I₀＝20mA，T_W＝0.16ms。对应T_W＝1.2，S＝29491，对应T_W＝0.16，S＝58545，电流分辨率为(58545-29491)/(20-4)＝1816/mA。

■电流控制：根据(8)，通过计算PCA0CP4寄存器数值，改变T_W，从而实现I₀的控制。为书写方便记PCA0CP4寄存器数值为D，有：

$D=65536\×\frac{T-T_W}{T}---\left(9\right)$

设(8)中： $\frac{\mathrm{RF}8}{\mathrm{RF}6}\frac{V_D}{\mathrm{RF}15}=I.$ 根据(8)、(9)，可直接建立D与I₀的关系：

$D=65536\×\frac{I_0}{I}---\left(10\right)$

根据(10)在I一定的条件下，对要求的I₀计算D，送入PCA0CP4寄存器便可。

实际上电路参数与标称值存在差异，通常需要电位器调整。为避免电位器调整，采用差商标定方法：

因为电路确定后I为常数，设对应I₀为4、20mA的D分别为D₄、D₂₀有：

$D_4=65536\×\frac{4}{I},$ $D_{20}=65536\×\frac{20}{I}.$

由此计算：，

差值， $D-D_4=\frac{65536}{I}(I_0-4),$ $D_{20}-D_4=\frac{65536}{I}\×16;$

商值， $\frac{D-D_4}{D_{20}-D_4}=\frac{I_0-4}{16}.$

解： $D=\frac{I_0-4}{16}\×(D_{20}-D_4)+D_4---\left(11\right)$

根据(11)，在电路确定后，可分别测量4和20mA对应的D₄、D₂₀进行记录。以后对要求的I₀，用(11)计算D，便实现电流控制。

3.4、蒸汽状态识别

根据热力学知识，蒸汽状态，当温度＞饱和温度时，处于过热状态，其密度是温度、压力的函数；当温度＜饱和温度时，处于饱和水状态，密度由饱和水温度决定；当温度～压力满足饱和关系时，其密度由饱和蒸汽的干度决定。所以采用下列方法计算密度：

1.温度＞饱和温度，按过热蒸汽计算密度；

2.温度＜饱和温度，按饱和水计算密度。

3.温度～压力满足饱和关系，设法确定饱和蒸汽干度后计算密度。

3.5、一体化质量流量测量技术

包括复合传感器、温度、压力采样电路和密度与质量流量计算。

3.5.1、复合传感器。

包括温度复合和压力复合传感器。

■温度复合传感器：其结构如图6所示，在差动压电传感器壳体1内金属架2上用高温封灌胶5封装一片PT100铂电阻片4，即构成压电与温度复合传感器。温度复合传感器与普通的压电传感器外型完全一样，插入涡街表体后，压电元件3感受涡街升力输出电荷信号，铂电阻感受管道温度输出电阻信号，通过引线8分别引到不同的采样电路，就可同时测量管道内流量和温度。图中，6、7分别是压电传感器信号中线和电极引线，8是薄膜铂电阻引线。6、7引入流量采样电路，8引入温度采样电路，再分别经信号调理送到，便可由程序控制获得流量和温度采样值。

■压力复合传感器：如图7所示，在涡街表体9和支杆16上，通过焊接引压管15、隔离罐13并装配压力传感器12，即构成表体与压力复合传感器。因为引压管与表体内部相通，表体安装到管道后，管道压力就会通过漩涡发生体9、引压管和隔离罐作用到压力传感器上，压力传感器信号引到压力采样电路，就可测量管道内压力。其中引压管和隔离罐的设计首先要满足温度-40～300℃要求，因为普通的压力传感器一般使用温度要≤60℃，面对蒸汽或高温介质测量，如果测量介质直接作用到传感器上，必然造成损坏。其次涡街流量计耐压等级为2.5Mpa，配套设计引压管和隔离罐的耐压要≥2.5Mpa。为此，引压管、隔离罐都需要合理的尺寸和材质。此外，隔离罐内要注入填充液14，使蒸汽进入后迅速冷凝，填充液要考虑避免结冻。因为蒸汽介质冷凝后，冷凝水会驻留在隔离罐内并且为静止状态，可能结冻；所以填充液选择既不能结冻又不能闪蒸的物质；引压管出口要向下弯曲，使介质经过缓冲后作用到传感器上，并避免填充液沿引压管流出。

3.5.2、温度测量

■传感器信号调理。电路如图11所示，图中，2.5V电压基准U3和运放U5B及标准电阻R8组成恒流源电路，对PT100铂电阻R_S提供恒流激励；IC2与电阻R7组成差动放大器，对U5B输出进行放大。

首先通过激励，使U5B输出电压： $V_7=(1+\frac{R_S}{R8})\×2.5,$ 代入R8＝2.5K，V₇＝2.5+R_S(V)。

接着差动放大，IC2的输出电压： $V_6=(1+\frac{R}{R7})(\mathrm{Vin}+-\mathrm{Vin}-),$ 代入Vin+＝V₇，Vin-＝2.5V，

$V_6==(1+\frac{R}{R7})R_S.$

因为，R、R7均为常数，记 $K=(1+\frac{R}{R7}),$

V₆＝KR_S。

选择R7，可使V₆满足A/D转换要求。V₆送到MCU的T端，即由MCU采样。

■温度计算：因为采样值与输入电压为线性关系，S_T＝K_AV₆＝K_AKR_S，

式中，S_T、K_A分别是温度采样值和A/D转换系数；

已知K_AK，通过采样便可计算R_S，再根据R_S和PT100分度关系可确定温度。

但K_AK存在分散性和零点漂移，通常需要用电位器进行零点和满度调整，为了避免这种调整，采用差商标定方法。

因为，K_AK保持不变，采样值随R_S变化。

对零点阻值R_S0有：S_T0＝K_AKR_S0

对满度阻值R_SM有：S_TM＝K_AKR_SM

对测量范围内任意R_S有：S_T＝K_AKR_S，

于是有差值：S_T-S_T0＝K_AK(R_S-R_S0)，S_TM-S_T0＝K_AK(R_SM-R_S0)。

商值： $\frac{S_T-S_{T0}}{S_{\mathrm{TM}}-S_{T0}}=\frac{R_S-R_{S0}}{R_{\mathrm{SM}}-R_{S0}}.$ 解：

$R_S=\frac{S_T-S_{T0}}{S_{\mathrm{TM}}-S_{T0}}(R_{\mathrm{SM}}-R_{S0})+R_{S0}$

根据该式，用标准电阻箱代替R_S，分别输入零点和满度阻值R_S0＝100，R_SM＝250，采样并记录S_T0和S_TM。测量过程，采样S_T，由上式计算R_S再查分度表，便实现温度测量。

3.5.3、压力测量

■信号调理电路。如图12所示，分3个主要部分工作。

第一部分，由2.5V电压基准U2、U3和运放U5A组成恒压源电路，对压力传感器桥路Ra～Rd提供5V激励，使压力传感器根据压力输出mV信号。

第二部分，由差动放大器IC1与电阻R5组成放大电路，对传感器输出进行放大。

第三部分，由1.2V电压基准U4经运放U6A驱动，组成移动电平电路，一路送给IC1的Vref端使IC1输出产生电平移动，防止桥路零点输出Vin+＜Vin-时，因IC1单电源不能输出负电压，出现失真；另一路送给P-做为A/D参考，以便使采样后消去Vref影响。

传感器桥路输出的正、负端，分别送到IC1的正、负输入端Vin+、Vin-，便有IC1输出：

$\mathrm{Vout}=(1+\frac{R}{R5})(\mathrm{Vin}+-\mathrm{Vin}-)+\mathrm{Vref}$

Vout送给MCU的A/D接口的P+端和P-一起既可由MCU采样，并且由于P-＝Vref，采样值不含Vref成分，使压力采样值，仅与Vout有关：

$S_P=K_A(V_{\mathrm{OUT}}-\mathrm{Vref})=K_A\left((1+\frac{R}{R5})(\mathrm{Vin}+-\mathrm{Vin}-)\right)=K_A{K}_P\mathrm{\ΔV}$

式中， $K_P=(1+\frac{R}{R5}),$ ΔV＝Vin+-Vin-

■压力确定：与温度测量同理，对K_AK_P进行标定。

对零点压力P₀有：S_P0＝K_AK_PP₀

对满度压力P_M有：S_PM＝K_AK_PP_M

对测量范围内任意压力P有：S_P＝K_AK_PP，

解： $P=\frac{S_P-S_{P0}}{S_{\mathrm{PM}}-S_{P0}}(P_M-P_0)+P_0$

所以标定过程，输入压力P₀、P_M，采样并记录S_P0和S_PM。

测量过程采样S_P，通过上式计算压力，便实现压力测量。

3.5.4、质量流量测量

因为所有的单组分介质密度都可以通过温度、压力确定，在测量体积流量后，根据用户要求与传感器配置，决定温度、压力测量，并根据测量介质不同选择密度模型计算密度。对液体用温度计算密度，对气体用温度、压力计算密度，对蒸汽经温度、压力判断确定密度模型计算密度。将计算密度与体积流量相乘，便实现了一体化质量流量测量。

综上所述，本发明通过(1)幅频特性识别技术；(2)线性化校正技术；(3)复合传感器技术；(4)蒸汽识别技术；最终实现了一体化质量流量测量。经辽宁省计量科学研究院检测证明，它彻底消除了现有的涡街流量计抗震性差、抗干扰能力低、测量死区大、线性差等缺点，可大幅降低起测流速同时提高量程比和精度。对常压气体的起测流速由现在通常的6米/秒扩展到3米/秒，量程比由5∶1提高到20∶1，精度由±1.5％提高到±0.5％；水由0.4米/秒扩展到0.2米/秒，量程比由10∶1提高到40∶1，精度由±1.0％提高到±0.5％。同时可以一体化测量温度、压力计算质量流量；还可以自动识别蒸汽状态，克服蒸汽相变、湿变和性变的误差；具有485通讯、脉冲或4～20Mv输出和液晶显示体积流量、质量流量、累计流量、温度、压力、密度、采样波形、信号频谱等功能，可以直接判断传感器故障和干扰情况。以全新的模式，为气体和中、低温蒸汽测量提供了更为理想的选择。

Claims (1)

1.数字一体化质量涡街流量计，包括带旋涡发生体的表体、传感器、放大器、输出和显示装置，其特征在于：第一，采用幅频特性识别技术，根据幅频特性模型识别傅立叶频谱；第二，采用线性化校正技术，分段计算流量，并用流量反算频率输出；第三，采用复合传感器，一体化测量温度、压力，为蒸汽状态识别和质量流量计算提供数据；第四，采用蒸汽状态识别技术，通过直接测量温度、压力判断蒸汽状态计算密度；第五，在一体化体积流量和温度、压力的基础上，计算密度和质量流量，将体积流量乘密度得到质量流量；

所说的幅频特性识别技术，首先对采样过程进行增益并使采样频率能自适应调节，以保证采样信号不失真；再对采样信号进行傅立叶变换和干涉修正，选出信号频谱中符合幅频特性的频率为测量频率；

所说的线性化校正技术，即是采用分段校正脉冲生成方法，通过初始标定分段获得仪表常数，根据每段仪表常数计算流量；再用流量和平均仪表常数反算频率，用脉冲发生器输出计算频率；

所说的蒸汽状态识别技术，是以热力学为依据，根据温度、压力判断蒸汽状态从而计算密度：

(1)温度～压力满足饱和关系，确定饱和蒸汽干度后计算密度；

(2)温度＞饱和温度，按过热蒸汽计算密度；

(3)温度＜饱和温度，按饱和水计算密度。

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