CN103206997A - 气体罗茨流量测量装置及其流量修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体罗茨流量测量装置及其流量修正方法。气体罗茨流量测量装置包括气体罗茨流量计本体及控制电路，控制电路包括中央处理单元及与之相连的腰轮信号处理单元、显示单元、温度测量单元、压力测量单元和差压测量单元，腰轮传感器和腰轮信号处理单元相连。流量修正方法为：实时采集流经气体流量测量管道的气体温度和压力，差压测量单元实时测量气体流量测量管道前后两端气体差压值，上述数据均输送给中央处理单元进行分析和处理，得到气体在该温度和该压力时的密度值，再计算出气体的漏流量，最后对由腰轮传感器获得的流量值进行修正并送显示单元显示。本发明避免漏流现象对流量计量的影响，提高气体罗茨流量测量装置的测量精度。

Description

气体罗茨流量测量装置及其流量修正方法

技术领域

本发明涉及一种气体流量计，尤其涉及一种提高气体流量测量精度的气体罗茨流量测量装置及其流量修正方法。

背景技术

罗茨流量计的工作原理是利用腰轮把流体连续地分割成单个体积已知的计量单元，并重复不间断地将流体充满该计量单元再排尽该计量单元中的流体而累加计算出流经流量计的流体的流量。罗茨流量计具有对上游流场分布不敏感、对表前直管段无要求、测量精度高、适用于高粘度流体、并能直接得到流体的累积流量等特点，广泛应用于石油、水、天然气和煤气计量等领域。

但目前的气体罗茨流量计一般都存在漏流现象，而漏流是影响流量计量精度的主要因素，因此目前的气体罗茨流量计仍存在测量精度不高的问题，有待进一步改进。

发明内容

本发明主要解决原有气体罗茨流量计存在漏流现象，从而造成流量计量精确度不高的技术问题；提供一种气体罗茨流量测量装置及其流量修正方法，其根据被测气体的实时状态计算出漏流量，从而对由腰轮传感器测得的流量值进行实时修正，大大提高气体罗茨流量计的测量精确度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的气体罗茨流量测量装置，包括气体罗茨流量计本体及控制电路，所述的控制电路包括中央处理单元、腰轮传感器、腰轮信号处理单元、显示单元、温度测量单元、压力测量单元及差压测量单元，腰轮信号处理单元、显示单元、温度测量单元、压力测量单元及差压测量单元分别和所述的中央处理单元相连，腰轮传感器的输出端和腰轮信号处理单元相连。温度测量单元、压力测量单元及差压测量单元均安装在气体流量测量管道中。腰轮传感器输出的脉冲信号经腰轮信号处理单元滤波放大及整形后，输送给中央处理单元，获得流量值，但这个流量值由于漏流现象，精确度不是很高，和实际流量存在偏差。对于给定的气体罗茨流量计，它产生漏流的间隙是一定的，在一定的间隙下，流量计的漏流量跟流量测量管道前后端差压以及被测气体的密度有关，而被测气体的密度受温度影响很大，也跟流量测量管道中气体的压力有关。通过温度测量单元测量被测气体的当前温度，通过压力测量单元测量被测气体的当前压力，将压力值和温度值输送给中央处理单元，再由中央处理单元经过分析和处理，通过查表可得到被测气体的密度。通过差压测量单元实时采集气体被测管道前后端的气体差压，也输送给中央处理单元。中央处理单元经过内部程序的分析、处理和计算，根据实时获得的气体密度值和差压值计算出漏流量，再对由腰轮传感器获得的流量值进行修正，从而最后获得精确度很高的流量计量值，并送显示单元显示。

作为优选，所述的温度测量单元包括电阻R9和热电阻PT1000，电阻R9的一端接一恒流源，电阻R9的另一端和热电阻PT1000的一端相连，热电阻PT1000的另一端接地，热电阻PT1000的两端分别和所述的中央处理单元的第一输入端、第二输入端相连。电阻R9为分压电阻，热电阻PT1000的阻值随温度的变化而变化，由于流过这两个电阻的电流恒定，因此热电阻PT1000两端电压的变化也随温度的变化而变化，从而实现温度的测量，测得的温度信号输送给中央处理单元。当然，根据使用环境及气体温度不同，也可采用热电阻PT100实现温度的测量。

作为优选，所述的压力测量单元包括压力传感器及放大芯片U1和放大芯片U2，压力传感器的两个工作电压输入端分别接正负激励电源，压力传感器的正向输出端和放大芯片U1的同相输入端相连，压力传感器的负向输出端和放大芯片U2的同相输入端相连，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U2的反相输入端之间连接有一个可变电阻RP，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U1的输出端之间连接有一个电阻R1，放大芯片U2的反相输入端和放大芯片U2的输出端之间连接有一个电阻R2，放大芯片U1的输出端、放大芯片U2的输出端分别和所述的中央处理单元的第三输入端、第四输入端相连。压力传感器可采用154N型压力传感器，154N型压力传感器是一种经过补偿、并且与介质兼容的硅压阻式传感器，其外壳采用316不锈钢封装结构。外界压力通过316不锈钢钢膜及内部灌充硅油传递到传感器件敏感元件上，可应用于低压场合。通过对陶瓷基座上的厚膜电阻进行激光修阻，可以实现对传感器的温度补偿及零点偏差调整。可变电阻RP起到增益调节作用。压力传感器测得的气体压力值经放大和增益调节输送给中央处理单元。

作为优选，所述的差压测量单元包括差压传感器，差压传感器的一个工作电压输入端接电压VDD，另一个工作电压输入端接地，差压传感器的两个输出端分别和中央处理单元的第五输入端、第六输入端相连。差压传感器实时采集气体流量测量管道前后端的差压，并输送给中央处理单元。差压传感器可采用DP86型差压传感器，DP86型差压传感器为体积小巧、介质兼容性强的硅压阻式传感器，其外壳采用316不锈钢双面设计结构。DP86型差压传感器为O形圈密封结构，外界压力通过双面316L不锈钢膜片及内部灌充大硅油传递到传感器敏感元件上。

作为优选，所述的腰轮信号处理单元包括放大芯片U3、放大芯片U4、反相器U5和电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C1，电阻R3、电容C1和电阻R6依次相连，电阻R3的另一端和所述的腰轮传感器的输出端相连，电阻R6的另一端和放大芯片U3的同相输入端相连，电阻R4、电阻R5的一端分别和电容C1的两端相连，电阻R4、电阻R5的另一端均接地，放大芯片U3的输出端既和放大芯片U3的反相输入端相连又和放大芯片U4的同相输入端相连，放大芯片U4的反相输入端一路经电阻R7接地，另一路经电阻R8和放大芯片U4的输出端相连，放大芯片U4的输出端和反相器U5的2脚相连，反相器U5的3脚接地，反相器U5的5脚接电压VDD，反相器U5的4脚和所述的中央处理单元的第七输入端相连。电阻R4、电阻R5和电容C1构成滤波电路，放大芯片U3和放大芯片U4构成放大电路，反相器U5构成整形电路。腰轮传感器输出的脉冲信号经腰轮信号处理单元滤波、放大及整形后，输送给中央处理单元，获得被测气体流量值，但这个流量值未考虑到漏流的影响，和实际流量存在偏差，需要修正。

作为优选，所述的显示单元采用液晶显示屏，所述的中央处理单元采用MSP430F437单片机。液晶显示屏显示清楚、直观，可显示多个数据。MSP430F437单片机，内部有AD转换模块及LCD驱动模块，简化外部电路连接，数据处理速度快，功能强，性能可靠。

本发明的气体罗茨流量测量装置的流量修正方法为：所述的腰轮传感器输出的脉冲信号给所述的腰轮信号处理单元，经腰轮信号处理单元滤波放大及整形后，再将信号输送给所述的中央处理单元，由中央处理单元计算得到流量值q；所述的温度测量单元实时采集流经气体流量测量管道的气体的温度值，所述的压力测量单元实时采集流经气体流量测量管道的气体的压力值，气体的温度值和压力值均输送给中央处理单元，中央处理单元根据当前温度值和压力值查表得到气体在该温度和该压力时的密度值ρ；所述的差压测量单元实时测量气体流量测量管道前后两端气体差压值△p，并输送给中央处理单元；所述的中央处理单元按式（20）计算出气体的漏流量△q，按式（30）计算出修正后的流量值Q，再将修正后的流量值Q送所述的显示单元显示；

$\mathrm{\Δq}=C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(20\right)$

$Q=q+\mathrm{\Δq}=q+C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(30\right)$

式中，C为与所述的气体罗茨流量计结构有关的常数。

根据被测气体的实时温度、压力及气体流量测量管道前后端差压计算出漏流量，再对由腰轮传感器测得的流量值进行修正，以提高流量测量精确度，从而避免气体罗茨流量计中漏流现象对流量计量的影响。

本发明的有益效果是：实时采集被测气体的温度、压力及气体流量测量管道前后端差压，由中央处理单元经过内部程序的分析和处理，计算出漏流量，再对由腰轮传感器测得的流量值进行修正，从而获得精确度很高的被测气体流量值，避免气体罗茨流量计中漏流现象对流量计量的影响，提高气体罗茨流量测量装置的测量精度。

附图说明

图1是本发明气体罗茨流量测量装置中控制电路的一种电路原理连接结构框图。

图2是本发明气体罗茨流量测量装置中腰轮信号处理单元的一种电路原理图。

图3是本发明气体罗茨流量测量装置中温度测量单元的一种电路原理图。

图4是本发明气体罗茨流量测量装置中压力测量单元的一种电路原理图。

图5是本发明气体罗茨流量测量装置中差压测量单元的一种电路原理图。

图中1.中央处理单元，2.腰轮传感器，3.腰轮信号处理单元，4.显示单元，5.温度测量单元，6.压力测量单元，7.差压测量单元，11.第一输入端，12.第二输入端，13.第三输入端，14.第四输入端，15.第五输入端，16.第六输入端，17.第七输入端，51.恒流源，61.压力传感器，71.差压传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的气体罗茨流量测量装置，如图1所示，包括气体罗茨流量计本体及控制电路，控制电路包括中央处理单元1、腰轮传感器2、腰轮信号处理单元3、显示单元4、温度测量单元5、压力测量单元6及差压测量单元7，腰轮信号处理单元3、显示单元4、温度测量单元5、压力测量单元6及差压测量单元7分别和中央处理单元1相连，腰轮传感器2的输出端和腰轮信号处理单元3相连，本实施例中，显示单元4采用液晶显示屏，中央处理单元1采用MSP430F437单片机，MSP430F437单片机内部有AD转换模块及LCD驱动模块，液晶显示屏和MSP430F437单片机内部的LCD驱动模块相连，温度测量单元、压力测量单元及差压测量单元的信号输出分别通过差分方式和MSP430F437单片机的AD转换模块引脚相连，腰轮信号处理单元的输出端和MSP430F437单片机的AD转换模块引脚相连。如图2所示，腰轮信号处理单元3包括放大芯片U3、放大芯片U4、反相器U5和电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C1，放大芯片U3和放大芯片U4均采用OPA349放大芯片，反相器U5采用NC7S14芯片，电阻R3、电容C1和电阻R6依次相连，电阻R3的另一端和腰轮传感器2的输出端相连，电阻R6的另一端和放大芯片U3的同相输入端相连，电阻R4、电阻R5的一端分别和电容C1的两端相连，电阻R4、电阻R5的另一端均接地，构成滤波电路，放大芯片U3的输出端既和放大芯片U3的反相输入端相连又和放大芯片U4的同相输入端相连，放大芯片U4的反相输入端一路经电阻R7接地，另一路经电阻R8和放大芯片U4的输出端相连，放大芯片U4的输出端和反相器U5的2脚相连，反相器U5的3脚接地，反相器U5的5脚接电压VDD，反相器U5的4脚和中央处理单元1的第七输入端17相连。如图3所示，温度测量单元5包括电阻R9和热电阻PT1000，电阻R9的一端接一恒流源51，电阻R9的另一端和热电阻PT1000的一端相连，热电阻PT1000的另一端接地，热电阻PT1000的两端分别和中央处理单元1的第一输入端11、第二输入端12相连。如图4所示，压力测量单元6包括压力传感器61及放大芯片U1和放大芯片U2，压力传感器61采用154N型压力传感器，放大芯片U1和放大芯片U2均采用OPA349放大芯片，压力传感器61的两个工作电压输入端分别接正负激励电源，压力传感器61的正向输出端和放大芯片U1的同相输入端相连，压力传感器61的负向输出端和放大芯片U2的同相输入端相连，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U2的反相输入端之间连接有一个可变电阻RP，起增益调节作用，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U1的输出端之间连接有一个电阻R1，放大芯片U2的反相输入端和放大芯片U2的输出端之间连接有一个电阻R2，放大芯片U1的输出端、放大芯片U2的输出端分别和中央处理单元1的第三输入端13、第四输入端14相连。如图5所示，差压测量单元7包括差压传感器71，差压传感器71采用DP86型差压传感器，差压传感器71的一个工作电压输入端接电压3V电源，另一个工作电压输入端接地，差压传感器71的两个输出端分别和中央处理单元1的第五输入端15、第六输入端16相连。

上述气体罗茨流量测量装置的流量修正方法为：腰轮传感器2输出的脉冲信号给腰轮信号处理单元3，经腰轮信号处理单元3滤波放大及整形后，再将信号输送给中央处理单元1，由中央处理单元1计算得到流量值q；温度测量单元5实时采集流经气体流量测量管道的气体的温度值，压力测量单元6实时采集流经气体流量测量管道的气体的压力值，气体的温度值和压力值均输送给中央处理单元1，中央处理单元1根据当前被测气体的温度值和压力值进行分析和处理，查表得到气体在该温度和该压力时的密度值ρ；差压测量单元7实时测量气体流量测量管道前后两端气体差压值△p，并输送给中央处理单元1。最后，由中央处理单元1内部程序进行处理和计算，按式（20）计算出被测气体的漏流量△q，按式（30）计算出修正后的流量值Q，再将修正后的流量值Q送液晶显示屏显示；

$\mathrm{\Δq}=C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(20\right)$

$Q=q+\mathrm{\Δq}=q+C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(30\right)$

式中，C为与气体罗茨流量计结构有关的常数。

本发明实时采集被测气体的温度、压力及气体流量测量管道前后端差压，由中央处理单元经过内部程序的分析和处理，计算出漏流量，再对由腰轮传感器测得的流量值进行修正，从而获得精确度很高的被测气体流量值，避免气体罗茨流量计中漏流现象对流量计量的影响，提高气体罗茨流量测量装置的测量精度。

Claims (7)

1.一种气体罗茨流量测量装置，包括气体罗茨流量计本体及控制电路，其特征在于所述的控制电路包括中央处理单元（1）、腰轮传感器（2）、腰轮信号处理单元（3）、显示单元（4）、温度测量单元（5）、压力测量单元（6）及差压测量单元（7），腰轮信号处理单元（3）、显示单元（4）、温度测量单元（5）、压力测量单元（6）及差压测量单元（7）分别和所述的中央处理单元（1）相连，腰轮传感器（2）的输出端和腰轮信号处理单元（3）相连。

2.根据权利要求1所述的气体罗茨流量测量装置，其特征在于所述的温度测量单元（5）包括电阻R9和热电阻PT1000，电阻R9的一端接一恒流源（51），电阻R9的另一端和热电阻PT1000的一端相连，热电阻PT1000的另一端接地，热电阻PT1000的两端分别和所述的中央处理单元（1）的第一输入端（11）、第二输入端（12）相连。

3.根据权利要求1所述的气体罗茨流量测量装置，其特征在于所述的压力测量单元（6）包括压力传感器（61）及放大芯片U1和放大芯片U2，压力传感器（61）的两个工作电压输入端分别接正负激励电源，压力传感器（61）的正向输出端和放大芯片U1的同相输入端相连，压力传感器（61）的负向输出端和放大芯片U2的同相输入端相连，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U2的反相输入端之间连接有一个可变电阻RP，放大芯片U1的反相输入端和放大芯片U1的输出端之间连接有一个电阻R1，放大芯片U2的反相输入端和放大芯片U2的输出端之间连接有一个电阻R2，放大芯片U1的输出端、放大芯片U2的输出端分别和所述的中央处理单元（1）的第三输入端（13）、第四输入端（14）相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的气体罗茨流量测量装置，其特征在于所述的差压测量单元（7）包括差压传感器（71），差压传感器（71）的一个工作电压输入端接电压VDD，另一个工作电压输入端接地，差压传感器（71）的两个输出端分别和所述的中央处理单元（1）的第五输入端（15）、第六输入端（16）相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的气体罗茨流量测量装置，其特征在于所述的腰轮信号处理单元（3）包括放大芯片U3、放大芯片U4、反相器U5和电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C1，电阻R3、电容C1和电阻R6依次相连，电阻R3的另一端和所述的腰轮传感器（2）的输出端相连，电阻R6的另一端和放大芯片U3的同相输入端相连，电阻R4、电阻R5的一端分别和电容C1的两端相连，电阻R4、电阻R5的另一端均接地，放大芯片U3的输出端既和放大芯片U3的反相输入端相连又和放大芯片U4的同相输入端相连，放大芯片U4的反相输入端一路经电阻R7接地，另一路经电阻R8和放大芯片U4的输出端相连，放大芯片U4的输出端和反相器U5的2脚相连，反相器U5的3脚接地，反相器U5的5脚接电压VDD，反相器U5的4脚和所述的中央处理单元（1）的第七输入端（17）相连。

6.根据权利要求1或2或3所述的气体罗茨流量测量装置，其特征在于所述的显示单元（4）采用液晶显示屏，所述的中央处理单元（1）采用MSP430F437单片机。

7.一种如权利要求1或2或3所述的气体罗茨流量测量装置的流量修正方法，其特征在于所述的腰轮传感器（2）输出的脉冲信号给所述的腰轮信号处理单元（3），经腰轮信号处理单元（3）滤波放大及整形后，再将信号输送给所述的中央处理单元（1），由中央处理单元（1）计算得到流量值q；所述的温度测量单元（5）实时采集流经气体流量测量管道的气体的温度值，所述的压力测量单元（6）实时采集流经气体流量测量管道的气体的压力值，气体的温度值和压力值均输送给中央处理单元（1），中央处理单元（1）根据当前温度值和压力值查表得到气体在该温度和该压力时的密度值ρ；所述的差压测量单元（7）实时测量气体流量测量管道前后两端气体差压值△p，并输送给中央处理单元（1）；所述的中央处理单元（1）按式（20）计算出气体的漏流量△q，按式（30）计算出修正后的流量值Q，再将修正后的流量值Q送所述的显示单元（4）显示；

$\mathrm{\Δq}=C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(20\right)$

$Q=q+\mathrm{\Δq}=q+C\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(30\right)$

式中，C为与所述的气体罗茨流量计结构有关的常数。

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