CN112284471A - 通用差压式气体质量流量测量方法及其变送器、计算系统 - Google Patents

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CN112284471A CN202011056996.XA CN202011056996A CN112284471A CN 112284471 A CN112284471 A CN 112284471A CN 202011056996 A CN202011056996 A CN 202011056996A CN 112284471 A CN112284471 A CN 112284471A
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Abstract

本发明公开了一种通用差压式气体质量流量测量方法，包括获取任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位；将流出系数、膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位输入至移动终端中，并根据预设的流量系数公式计算出对应的流量系数；多变量差压式气体质量流量变送器获取流量系数以及实时采集差压、工况压力和工况温度，并根据预设的气体质量流量算法计算出节流装置的气体瞬时质量流量；其中，流量系数为预设的气体质量流量算法中的常数部分。本发明采用新的气体质量流量算法来计算任一节流装置的瞬时气体质量流量，不需要将量程分为多段处理，也大大方便了用户和现场服务。

Description

通用差压式气体质量流量测量方法及其变送器、计算系统
技术领域
本发明涉及气体质量流量测量技术领域，尤其涉及一种通用差压式气体质量流量测量方法、多变量差压式气体质量流量变送器、多变量差压式气体质量流量计算系统及计算机可读存储介质。
背景技术
差压式气体质量流量变送器是安装在管道中记录流过的气体总量，并用来计量气体流量的一类测量仪表，在化工、冶金等工业部门当中比较常见。多变量差压式气体质量流量变送器是根据差压原理测量质量流量，主要包括节流装置、在节流装置剖面上有两个独立的腔体，并通过传感器读取差压。具体地，介质的流动在节流装置或皮托管探杆的两个测量孔之间产生了差压；在面对流体方向的区域/孔产生高压(p+)，在远离流体方向的区域/孔产生低压(p-)，从而在两个导压管/孔中产生了与流量成比例的差压，这个差压被变送器记录下来，同时由于集成了压力和温度传感器，最终计算出了介质的当前密度，再结合管道截面积，计算出质量流量并作为电气信号传输给控制单元。
目前市场上存在产品，其使用MEMS传感器芯片测量差压和压力，可以选择输入任何一种节流装置的流出系数和膨胀系数、管径和介质标况密度，就可以使用相应的节流装置对20～10000mm管道进行气体质量流量测量，节流装置是厂家通用的产品，通过差压接口连接，进行配套使用。由于使用了MEMS芯片，属于非传统的传感器，价格低廉，容易批量生产。然而，这技术是由大型卡车的发动机进气量测量和继承了单孔探头测量转移过来，在算法上存在限制，将流量测量范围分为多档，强行要求用户将这多档之一作为测量流量的满量程，输入到上位机作为20mA的满量程，而不是用户要求的满量程，导致使用不方便和降低测量精度；此外，产品总体精度不高，满量程的10％以上时，可以达到+/-4％R，标定后满量程7％时，达到+/-4％，满量程15％时，达到+/-2％R。
发明内容
本发明目的在于，提供一种通用差压式气体质量流量测量方法、多变量差压式气体质量流量变送器、多变量差压式气体质量流量计算系统及计算机可读存储介质，以解决现有的差压式气体流量变送器使用不方便和测量精度低的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种通用差压式气体质量流量测量方法，包括：
获取任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位；
将所述流出系数、所述膨胀系数、所述管径、所述介质标况密度、所述用户指定的最大流量和流量单位，输入至移动终端中，并根据预设的流量系数公式计算出对应的流量系数；
多变量差压式气体质量流量变送器获取所述流量系数以及实时采集差压、工况压力和工况温度，并根据预设的气体质量流量算法计算出所述节流装置的气体瞬时质量流量；其中，所述流量系数为所述预设的气体质量流量算法中的常数部分。
在某一个实施例中，所述预设的气体质量流量算法具体为：
Figure BDA0002710725030000021
其中，Qm为瞬时质量流量kg/s；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure BDA0002710725030000022
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)；
ρb为气体工况密度(kg/m3)；
理想气体方程：ρb＝ρd*(Pb*Td)/(Pd*Tb) (2)
ρd为介质标况密度(kg/Nm3)，Pd为设计压力(kpa)，Pb为工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)，Td为设计温度(K)；
Figure BDA0002710725030000023
则
Figure BDA0002710725030000024
其中，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure BDA0002710725030000025
属于变量部分。
在某一个实施例中，所述流量系数具体为：
Figure BDA0002710725030000026
其中，A为第一常数；B为第二常数；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure BDA0002710725030000027
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ρd为被测介质标况密度(101.325kpa，且0℃)；
Qk为用户给定的满量程/最大流量(kg/h，m3/h或者Nm3/h)，其单位与计算出的流量单位一致。
在某一个实施例中，
MSCO(m3/h)＝MSCO(kg/h)/介质工况密度 (6)；
MSCO(Nm3/h)＝MSCO(kg/h)/介质标况密度 (7)。
在某一个实施例中，所述第一常数A的数据范围为0.2～3.0，所述第二常数B的数据范围4.0～11.0。
在某一个实施例中，还包括，根据如下公式，将气体质量流量Qm转换成为百分数形式的瞬时质量流量Qi(％)：
Figure BDA0002710725030000031
其中，Qi(％)为百分数形式的瞬时质量流量，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure BDA0002710725030000032
属于变量部分，ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)，Pb为气体工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)。
在某一个实施例中，还包括：
控制所述移动终端接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数；
控制所述多变量差压式气体质量流量变送器接收所输入的流量系数、以及实时采集到的差压、工况压力和工况温度，并根据所述预设的气体质量流量算法计算所述节流装置的气体瞬时质量流量。
本发明实施例还提供一种多变量差压式气体质量流量变送器，包括：菜单模块、计算模块和显示模块；
所述菜单模块，用于接收所输入或修改的流量系数、以及用于输入或修改变送器运行中所需要的各种参数，所述参数包括滤波常数、差压零点标定和4～20mA标定中的一种或多种；其中，所述流量系数是根据流出系数、膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，以及预设的流量系数公式计算得出；
所述计算模块，用于根据所述流量系数、所述差压、所述工况压力和所述工况温度，以及所述预设的气体质量流量算法，计算所述节流装置的气体瞬时质量流量；
所述显示模块，与所述菜单模块共同组成用户操作界面，用于显示多变量参数，和显示所述菜单模块所输入或修改的流量系数和所述参数；其中，所述多变量参数包括气体瞬时质量流量、累积质量流量、差压、压力、温度、仪表内部温度和流量的百分数中的一种或多种。
在某一个实施例中，所述多变量差压式气体质量流量变送器还包括主板和传感器板；
所述传感器板上设有第一CPU芯片，所述第一CPU芯片用于采集所述差压、压力和温度信号，进行滤波和线性插值处理；
所述计算模块包括设置在所述主板上的第二CPU芯片，所述第二CPU芯片用于根据采集的信号进行质量流量计算，将多变量信号通过LCD屏幕显示以及通过HART总线方式输出，并将计算的气体瞬时质量流量通过4～20mA输出。
本发明实施例还提供一种多变量差压式气体质量流量计算系统，包括：
移动终端，用于接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数；以及
如上述实施例所述的多变量差压式气体质量流量变送器。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的通用差压式气体质量流量测量方法。
本发明实施例中的通用差压式气体质量流量测量方法，通过将任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径和介质标况密度，输入至预设的气体质量流量算法中，从而计算并输出所述节流装置的气体质量流量。本发明突破了传统标准算法，采用一种新的气体质量流量算法来计算任一节流装置的瞬时气体质量流量，如此，将用户要求的量程作为测量仪表的测量量程，符合行业的习惯，不需要将量程分为多段处理；同时适用于目前市场中的任一款差压式节流装置，进行不同管径(取决于节流装置)的气体质量测量，可以根据现场测量的结果，实时修正设计数据，达到精确测量目的，大大方便了用户和现场服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一个实施例提供的通用差压式气体质量流量测量方法的流程示意图；
图2是本发明某一个实施例提供的管道直径与流量系数的对数曲线示意图；
图3至图4是本发明某一个实施例提供的多变量差压式气体质量流量变送器的结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的多变量气体质量流量变送器的电气模块连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，本发明实施例提供一种通用差压式气体质量流量测量方法，包括以下步骤：
S10、获取任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位；
S20、将所述流出系数、所述膨胀系数、所述管径、所述介质标况密度、所述用户指定的最大流量和流量单位，输入至移动终端中，并根据预设的流量系数公式计算出对应的流量系数；
S30、多变量差压式气体质量流量变送器获取所述流量系数以及实时采集差压、工况压力和工况温度，并根据预设的气体质量流量算法计算出所述节流装置的气体瞬时质量流量；其中，所述流量系数为所述预设的气体质量流量算法中的常数部分。
需要说明的是，连续流体介质在管道的运动过程中，流经管道内预置的节流装置时，其流束将会在节流装置处形成局部的缩径/阻挡状态，从而使流体介质的流速增大。这种状况就会在节流装置前后产生差压。流动介质的流量相对越大，那么在节流装置上产生的差压也会越大。因此，可以通过节流测量装置的差压，经一定算法来相对衡量流经节流装置内流体流量的大小，这就是利用节流装置来具体测定管道内连续流动介质流量的基本原理。而按照传统标准算法在计算时要通过人机界面输入一系列的参数，例如节流装置流出系数、膨胀系数、管道内径、介质标况密度、标况条件、设计温度、设计压力，最大流量和单位等，再结合现场实时测量的差压/压力/温度，才能计算出气体瞬时质量流量，操作繁琐且容易出错。
在本发明实施例中，发明人经过大量仿真和实验，发现通用的节流装置与单孔探杆有相近的算法。其中单孔探杆算法的核心思路为将传统标准算法的常数部分进行变换到只与等效管径的最大流量等因素有关，变量部分与传统算法完全相同，无需考虑节流装置在不同管径下的结构和截面形状，从而不用在计算时输入一系列的参数，其具体步骤为：首先需要根据待测管道的额定压力、额定流速来确定最大流量，有了最大流量后，根据预置的最大流量、用户给定的刻度/最大流量与流量系数之间的关系式进行计算，能够得到新的常数部分，即流量系数，这部分是在移动终端中完成；然后再将计算出来的流量系数、差压、工况压力和工况温度进行计算，就能计算出气体瞬时质量流量，这部分在变送器中完成，只需要输入流量系数就可以，操作简单且不容易出错。
而通用节流装置算法的核心思路也是将单孔匀速管算法一样，将其常数部分进行变换到最大流量，只不过是多了二个常数项，导致于流量系数公式中线性方程的系数(第一常数A和第二常数B，见公式(5))不同而已，而变量部分完全相同(只与差压、工况压力和工况温度有关)，只需使用类似单孔探杆的算法推算出“流量系数”，即根据流出系数、膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位进行计算，得到新的常数部分，然后根据计算出来的流量系数以及采集的现场差压/压力和温度信号进行计算，就能计算出指定节流装置的气体瞬时质量流量。其中，流量系数在移动终端中计算；质量流量在变送器中计算。从而实现了不通过标准传统算法来计算瞬时气体质量流量，操作简单且不容易出错。
为此，本发明实施例提供一种新的气体质量流量算法，区别于传统标准算法来计算瞬时气体质量流量。具体地，首先在移动终端中输入任一节流装置的流出系数和膨胀系数，待测量的管道的直径以及介质在标况下的密度，用户指定的最大流量和流量单位，计算出“流量系数”。然后将“流量系数”以及变送器所采集到的参数(例如工况压力、工况温度、所述节流装置所采集的差压值)，输入至预设的气体质量流量算法中，通过该算法就计算出任一节流装置的气体质量流量，并输出该计算结果。在实际测量过程中，由于单孔探头的算法与任意节流装置的算法基本思路一致，如果用户节流装置是满管插入，就使用本发明实施例中的测量方法；如果是部分插入，虽然这种应用不多，但是对于大管径，部分插入还是个好的解决方案，用户通常无法提供准确给出部分插入时的流出系数(K)，就按照单孔测量的算法进行(而单孔测量的算法不考虑流出系数和膨胀系数)。如此，本发明可以针对各种不同的节流装置不同的安装方式，可以有一个基本统一的测量方法，但是需要有比较长的前后直管段。
在具体使用过程中，用户先选择流量单位，例如Nm3/h，m3/h或者kg/h，选择之后，然后根据当前工况提供当前单位下的流量范围，再输入用户给定的最大流量或者刻度流量(用户流量设计书或者规格书中查找)。需要注意的是，这里设置的“用户量程”必须与上位机中满量程(20mA)相一致，也必须与仪表面板上设置的满量程和单位一致，即三个地方必须设置相同的满量程和单位。在获得节流装置的流出系数K和气体膨胀系数ε，通过管径计算出管道的截面积，获得被测介质的介质标况密度，以及获得用户指定的最大流量和流量单位后，可以直接计算出流量系数，进而在获得节流装置测量的差压值、工况压力以及工况温度后，计算出任一节流装置的气体质量流量。其中，上述步骤S20由外侧服务器执行，步骤S30由现场仪表执行计算完成。本发明将几乎所有信息浓缩在这参数“流量系数”中，多变量差压式气体质量流量变送器的仪表用户界面只需要输入一个参数，而不用输入一系列其它参数，而且还可以根据现场测量的结果，实时修正设计数据(设计院给出的数据只是理论上的数据)，计算出符合当前工况的流量系数，达到精确测量目的，大大方便了用户和现场服务。
综上，本发明实施例中的通用差压式气体质量流量测量方法，通过将任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，在移动终端中计算出“流量系数”，再与节流装置现场实时测量出的差压、压力和温度一起输入至预设的气体质量流量算法中，从而计算并输出所述节流装置的气体质量流量。本发明突破了传统标准算法，采用一种新的气体质量流量算法来计算任一节流装置的瞬时气体质量流量，便于将用户要求的量程作为测量仪表的测量量程，符合行业的习惯，不需要将量程分为多段处理；同时适用于目前市场中的任一款差压式节流装置，进行不同管径(取决于节流装置)的气体质量测量，可以根据现场测量的结果，实时修正设计数据，达到精确测量目的，大大方便了用户和现场服务。
在某一个实施例中，所述预设的气体质量流量算法具体为：
Figure BDA0002710725030000071
其中，Qm为瞬时质量流量kg/s；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure BDA0002710725030000072
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)；
ρb为气体工况密度(kg/m3)，
理想气体方程：ρb＝ρd*(Pb*Td)/(Pd*Tb) (2)
ρd为介质标况密度(kg/Nm3)，Pd为设计压力(kpa)，Pb为工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)，Td为设计温度(K)；
Figure BDA0002710725030000081
则
Figure BDA0002710725030000082
其中，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure BDA0002710725030000083
属于变量部分(由变送器本身执行计算)。
公式(1)为符合GBT2624标准的质量流量与差压的关系式，在本发明实施例中，将气体质量流量Qm转换成常数部分和变量部分的乘积，即公式(3)。按照正常做法，在已经知道公式(3)中常数部分的所有部分
Figure BDA0002710725030000084
时，只要将各部分全部分别输入或者只输入一个乘积进入仪表，虽然气体膨胀系数是一个随流量大小会变化的(0.5～0.9999)，也可以有相关公式去实时计算。但是本发明为什么不按照传统的算法，直接通过公式(1)即可计算出节流装置的气体质量流量，而是另辟蹊径，将公式(1)转换成公式(4)和(5)？
本发明公式(4)和(5)算法的思路是将这组常数(公式(3))转换到单孔测量的计算思路，建立内径与流量系数的对数关系(如图2所示)，将流出系数和膨胀系数当作一常数，与其它常数(如：被测介质标况密度ρd，管道截面积S等常数)一并处理，在单孔的流量系数中扣除这部分常数，生成了新的第一常数和第二常数，导出一个新的通用系数，同时考虑到用户的满量程，将公式转换成瞬时质量流量的百分数形式。这样就可以将单孔探头的算法与任意节流装置的算法基本一致。
在使用过程中，如果用户节流装置是满管插入，就使用本算法；如果是部分插入，用户通常无法提供准确给出部分插入时的流出系数(K)，就按照单孔测量的算法进行(不考虑流出系数和膨胀系数)。如此，本发明可以针对各种不同的节流装置不同的安装方式，设计成一个基本统一的算法，便于计算出任意一款节流装置的气体质量流量，应用范围广。
在某一个实施例中，所述流量系数具体为：
Figure BDA0002710725030000085
其中，A为第一常数；B为第二常数；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure BDA0002710725030000086
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ρd为被测介质标况密度(101.325kpa，且0℃)；
Qk为用户给定的满量程/最大流量(kg/h，m3/h或者Nm3/h)，其单位与计算出的流量单位一致。
在本发明实施例中，通过公式(5)，在获得节流装置的流出系数K和气体膨胀系数ε，通过管径计算出管道的截面积，获得被测介质的标况密度，获得用户指定的最大流量和流量单位后，根据特定的算法计算出流量系数，进而通过公式(4)，在获得节流装置测量的差压值、工况压力以及工况温度后，计算出任一节流装置的气体瞬时质量流量。
在某一个实施例中，所述第一常数A的数据范围为0.2～3.0，所述第二常数B的数据范围4.0～11.0。
在本发明实施例中，第一常数A以及第二常数B是发明人经过大量仿真和实验所获得的常数。当第一常数A的值落入到0.2～3.0区间范围内，且第二常数B的值落入4.0～11.0区间范围时，通过本发明实施例的通用差压式气体质量流量测量方法所计算出来的节流装置的气体质量流量精度高，应用范围广，在标准空气标定计量站(+/-0.5％R)，对DN50/DN80/DN100/DN150/DN200/DN300管道都加以论证，有满意的结果。
在某一个实施例中，该方法还包括：
MSCO(m3/h)＝MSCO(kg/h)/介质工况密度 (6)；
MSCO(Nm3/h)＝MSCO(kg/h)/介质标况密度 (7)。
其中，m3/h通常代表该气体所在温度、压力下的体积流量，即工况下实际流量(与工况温度和压力密切相关)，介质工况密度是在移动终端中自动计算的(根据设计温度、设计压力和标况密度)。
Nm3/h通常指在0℃，1个大气压(atm，即通常意义的标准状态)下气体的标况流量(与工况温度和压力无关)。
请结合公式(4)和(5)，在计算出任一节流装置的气体质量流量Q[kg/s](％)时，可根据公式(6)和(7)进行转换，以计算出与用户要求所对应的气体流量值和单位。
在某一个实施例中，该方法还包括根据如下公式，将气体质量流量Qm转换成为百分数形式的瞬时质量流量Qi(％)：
Figure BDA0002710725030000091
其中，Qi(％)为百分数形式的瞬时质量流量，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure BDA0002710725030000101
属于变量部分，ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)，Pb为工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)。
考虑到用户的满量程，将公式(4)转换成瞬时质量流量的百分数形式通过4～20mA输出，便于用户使用。
在某一个实施例中，该方法还包括以下步骤：
控制所述移动终端接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数；
控制所述多变量差压式气体质量流量变送器接收所输入的流量系数、以及实时采集到的差压、工况压力和工况温度，并根据所述预设的气体质量流量算法计算所述节流装置的气体瞬时质量流量。
在本发明实施例中，计算程序可安装在后台服务器，移动终端(例如手机、平板、笔记本电脑等)上安装有应用程序APP作为用户操作界面。通过收集和录入管道信息(例如内径、壁厚、材质等)，节流装置信息(例如流出系数、膨胀系数)，介质信息(例如介质名称、标况密度、密度条件等)和工艺参数(例如设计温度/压力、满量程等)，提交至后台服务器，计算和显示由上述气体质量流量算法产生的“流量系数”。
其中，由于“流量系数”包括了上面所有的信息，如此，多变量差压式气体质量流量变送器的仪表用户界面几乎只需要输入一个参数，而且可以根据现场测量的结果，实时修正设计数据，达到精确测量目的，然后再由显示模块显示所述节流装置的气体质量流量，现场调试就基本结束，大大方便了用户和现场服务。
在其它实施例中，如果安装的管道、工艺参数和节流装置都已经确定，上述计算和显示过程也可以在产品出厂前预置到多变量差压式气体质量流量变送器仪表。如此，现场设计和操作简单方便。
本发明实施例还提供一种多变量差压式气体质量流量变送器100(见图3)，包括：菜单模块、计算模块和显示模块；
所述菜单模块，用于接收所输入或修改的流量系数、以及用于输入或修改变送器运行中所需要的各种参数，所述参数包括滤波常数、差压零点标定和4～20mA标定中的一种或多种；其中，所述流量系数是根据流出系数、膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，以及预设的流量系数公式计算得出；
所述计算模块，用于根据所述流量系数、所述差压、所述工况压力和所述工况温度，以及所述预设的气体质量流量算法，计算所述节流装置的气体瞬时质量流量；
所述显示模块，与所述菜单模块共同组成用户操作界面，用于显示多变量参数，和显示所述菜单模块所输入或修改的流量系数和所述参数；其中，所述多变量参数包括气体瞬时质量流量、累积质量流量、差压、压力、温度、仪表内部温度和流量的百分数中的一种或多种。
在本实施例中，计算模块用于实现节流装置的气体瞬时质量流量的计算。
菜单模块用于将计算结果“流量系数MSCO”输入到变送器，与变送器MEMS芯片采集到的实时差压值、实时压力和热电阻采集到的介质实时温度一起，按照公式(8)计算瞬时质量流量的百分数，准备4～20mA输出，并提交给HART数据表。同时还需要输入用户指定的最大流量和单位，其目的是为将流量的百分数转换成真实的流量值，仪表本身并不需要这信息，但是为了可以就地显示流量值和累积流量，否则只能显示流量的百分数，而且必须输入与计算流量系数时的相同最大流量和流量单位。在其他实施例中，菜单模块还有一些其它辅助参数输入，如采样滤波常数、差压零点标定、4mA/20mA标定、修正系数、累积流量清零等，这些是一个标准变送器必须具备的设置和功能。
显示模块，与菜单模块组成用户操作界面，向仪表传送数据，显示计算/采集结果，完成上述的参数设定、修改和显示，将所述的计算结果瞬时质量流量、从清零起到当下的瞬时流量相加生成的累积流量、采集来的差压、工况压力和工况温度、瞬时流量的百分数、仪表内部温度等多变量及其单位实时通过LCD屏幕显示出来。
具体地，请参阅图3至图5，本发明实施例提供的多变量差压式气体质量流量变送器100用于与任何一种节流装置、以及外置温度传感器203连接，具体包括：壳体10，以及设置在所述壳体10内的MEMS差压传感器201、MEMS压力传感器202、传感器板204和主板205。
MEMS差压传感器201用于采集节流装置的差压信号。MEMS压力传感器202用于采集管道内介质的压力信号和其所在位置的环境温度信号。外置温度传感器203通过插在管道内介质中的热电阻，用于采集管道的温度信号，通过接线腔110的接线端子模块111电性连接。MEMS差压传感器201、MEMS压力传感器202和外置温度传感器203分别与传感器板204电性连接，主板205与传感器板204电性连接。
在本实施例中，选用MEMS传感器，包括MEMS压力传感器202和MEMS差压传感器201，做到了体积小，功耗低，成本小，最好的特点是可以高精度和高稳定测量超小的差压和超大的差压，从而可以实现超大量程比。可以保证差压在2帕以上时，可以稳定的测量，在(5～10)帕时，达到相当的精度，最大差压可以稳定测量到(10～15)千帕，差压量程比为(5000～7500)倍
Figure BDA0002710725030000121
流量量程比为70.7～86.6倍，具有相当大的流量测量范围，是传统差压变送器(电容式/谐振式/压电式等)或者传统质量流量计是无法比拟的。具体地，在本实施例中，采用MEMS差压传感器201，解决了气体微差压和超大差压的有效测量，采用MEMS压力传感器202和外置温度传感器203，结合差压值，完成气体质量流量的计算，实现多变量的显示和多变量的(HART)输出，多变量包括：瞬时质量流量、累积质量流量、差压、温度、压力、差压、瞬时质量流量、累积质量流量、输出百分数和仪表内部温度等。
综上所述，本发明实施例提供的一种基于MEMS芯片(包括MEMS压力传感器202和MEMS差压传感器201)的多变量气体质量流量变送器100优点在于，通过椭圆法兰将现场各种节流装置产生的差压/压力信号引入，导压机械结构将高低压引到芯片的高低端口，选择和使用了MEMS硅压阻式测差压芯片作为差压传感器201和/或压力传感器202，导压机械结构将高低压引到芯片的高低端口，测量由节流装置产生和引来的高低压，其输出高精度高线性的电压与差压成比例。本发明用于气体微差压/超大差压芯片、压力芯片和温度传感器测量和计算，将管道差压/压力/温度/质量流量/累积流量等信号变送输出，与现有技术不同，特别用于解决超大流程比的气体质量测量，也具有相当的测量精度。
请参阅图5，在某一个实施例中，多变量气体质量流量变送器100还包括相互通信连接的传感器板204和主板205。
主板205上设有第二CPU芯片208，传感器板204上设有第一CPU芯片207，第一CPU芯片207用于采集所述差压、压力和温度信号，进行滤波和线性插值处理，第二CPU芯片208用于根据采集的信号进行质量流量计算，将多变量信号通过LCD屏幕显示以及通过HART总线方式输出，并将计算的气体瞬时质量流量通过4～20mA输出。
在本实施例中，通过MEMS差压传感器201直接测量由椭圆法兰接口和导压管引来的差压，通过MEMS压力传感器202直接测量管道的压力和处理所在地的环境温度，由I2C总线输出，通过外置温度传感器203(比如插在管道内的热电阻)直接测量管道的温度，通过外接端子直接接入，通过前置放大电路和CPU电路，将三路信号采集到第一CPU芯片207，根据内置的标定数据，对差压信号和温度信号进行线性化处理，转换成数字信号，通过串口与主板205的第二CPU芯片208通信，第二CPU芯片208按照前述公式完成瞬时/累积流量计算、按键206和显示模块102组成仪表的人机操作界面，进行多变量的实时显示，以及相关参数的输入/修改/显示、菜单操作和显示模块102控制表头显示以及多变量二根线(4～20mA+HART)输出，其中，瞬时/累积流量采用现有的算法来计算。此外，使用低功耗的CPU和具有专利的隔离电路，提高电源效率，保证了本质防爆和二线制输出。
请参阅图3和图4，在某一个实施例中，多变量气体质量流量变送器100还包括显示模块102和接线端子模块111。壳体10内部形成有相对的显示腔101和接线腔110，显示模块102设置于显示腔101内，接线端子模块111设置于接线腔110。
请参阅图4，在某一个实施例中，接线端子模块111包括二线制接口109和外接温度接口108，二线制接口109用于模拟输出、供电和通信。
在本实施例中，二线制接口109的二根线是供电电源，又是瞬时流量的模拟信号(4～20mA)输出，又是HART多变量数字信号输出(三功能合一)，外接温度接口108用于将附近的介质温度传感器(比如插在管道内的热电阻)，通过外接端子直接接入。
请参阅图3至图5，在某一个实施例中，壳体10内部还形成有连接腔107，连接腔107位于显示腔101和接线腔110的下方，MEMS差压传感器201、MEMS压力传感器202和主板205均设置于连接腔107。
请参阅图3至图5，在某一个实施例中，多变量气体质量流量变送器100包括导压管103，壳体10内部还形成有型腔104，型腔104与连接腔107连通，导压管103穿设在型腔104内部，且导压管103的输出端朝向连接腔107内的MEMS差压传感器201以及MEMS压力传感器202。
请参阅图4和图5，在某一个实施例中，多变量气体质量流量变送器100还包括连接件，连接件用于连接型腔104与节流装置。
在本实施例中，本发明提供的多变量气体质量流量变送器100不包括节流装置，而节流装置可以是各种厂家的各种产品，它们的输出都是差压信号，通过两个压力通道进行传送，根据MEMS差压传感器201的供电要求和端子定义，在输出口获得与差压线性对应的毫伏信号。
请参阅图3和图4，在某一个实施例中，连接件包括椭圆法兰105，椭圆法兰105用于连接任何一种节流装置的引压管106。
在本实施例中，本发明通过两个独立的通道，分别是正负引压管106，将由节流装置产生的正负压力直接引到MEMS差压芯片201的两个压力端口，将由节流装置产生的正端压力直接引到MEMS压力差压芯片202采样(压力)端口。
请参阅图3和图4，在某一个实施例中，连接件还包括工型连接器112，椭圆法兰105通过工型连接器112与型腔104连接。
在本实施例中，连接件包括椭圆法兰105和工型连接器112，椭圆法兰105用于连接节流装置的引压管106，椭圆法兰105通过工型连接器112与型腔104连接。具体的，本发明通过两个独立的通道，分别是正负引压管106，将由节流装置产生的正负压力直接引到MEMS差压芯片201的两个压力端口，将由节流装置产生的正端压力直接引到MEMS压力差压芯片202采样(压力)端口。其中，本发明提供的多变量气体质量流量变送器100不包括节流装置，而节流装置可以是各种厂家的各种产品，它们的输出都是差压信号，通过两个压力通道进行传送，根据MEMS差压传感器201的供电要求和端子定义，在输出口获得与差压线性对应的毫伏信号。
请参阅图5，在某一个实施例中，多变量气体质量流量变送器100还包括用于变送器100输出的二根线，输出的二根线与所述主板205电性连接，并用于输出4～20mA模拟信号和全部数字信号，其中，模拟信号包括瞬时流量，数字信号包括瞬时流量、累积流量、差压、压力、温度、仪表温度和流量的百分数。
数字信号(管道差压/温度/压力/电子腔体内部温度/质量流量/累积流量)HART叠加在模拟信号4～20mA中，总共二根线，既是电源功率线，又是4～20mA模拟输出线，同时还是HART通讯线，HART中含有各种多变量信号的数字值，输出给上位机系统的HART接口。
在本实施例中，无论是表头显示还是HART总线输出，都可以达到国外同类产品的功能，实时显示和(总线)输出瞬时流量、累积流量、差压、压力、温度、仪表内部温度和流量百分数等。
本发明实施例还提供一种差压式气体质量流量计，包括用于在待测管道中产生差压的节流装置，和上述任意一个实施例中的一种基于MEMS芯片的多变量气体质量流量变送器100。
在某一个实施例中，节流装置包括孔板节流装置、喷嘴节流装置、文丘里节流装置、V锥节流装置、弯管节流装置、契形节流装置或巴式节流装置。
其中，节流装置包括几十种类型，称为一次元件，用于产生差压，基于MEMS芯片的多变量气体质量流量变送器100都可以通过标准椭圆法兰与任意一种节流装置连接。
当然，本实施例中的节流装置不限于上述列出的几种类型节流装置，还可以为其他类型的节流装置，在此不做具体限制。
在实际使用过程中，计算程序安装在后台服务器，利用手机APP操作界面，收集和录入管道信息(例如内径、壁厚、材质)，介质信息(例如介质名称、标况密度、密度条件)，和过程参数(例如设计温度/压力、满量程)，提交服务器，计算和显示由上面算法产生的“流量系数”，包括了上面所有的信息，如此，让用户只输入一个主要参数到仪表里面，现场调试就基本结束。如果安装的管道和参数都已经确定，这过程也可以在产品出厂前预置到仪表。此外，壳体10选用了双腔变送器结构，全部为一体化结构，接线方便。
本发明实施例还提供一种多变量差压式气体质量流量计算系统，包括移动终端以及如上述任意一个实施例中的多变量差压式气体质量流量变送器100。
移动终端，用于接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数。
在本实施例中，移动终端用于实现流量系数的计算，以供多变量差压式气体质量流量变送器100进一步根据流量系数、实时采集差压、工况压力和工况温度计算节流装置的气体瞬时质量流量，操作简单且不容易出错。
其中，关于多变量差压式气体质量流量计算系统的具体限定可以参见上文中对于通用差压式气体质量流量测量方法的限定，在此不再赘述。上述多变量差压式气体质量流量计算系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
处理器用于控制该多变量差压式气体质量流量计算系统的整体操作，以完成上述的通用差压式气体质量流量测量方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该多变量差压式气体质量流量计算系统的操作，这些数据例如可以包括用于在该多变量差压式气体质量流量计算系统上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在一示例性实施例中，多变量差压式气体质量流量计算系统可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific 1ntegrated Circuit，简称AS1C)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital SignalProcessing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的通用差压式气体质量流量测量方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的通用差压式气体质量流量测量方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由多变量差压式气体质量流量计算系统的处理器执行以完成上述的通用差压式气体质量流量测量方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，包括：
获取任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位；
将所述流出系数、所述膨胀系数、所述管径、所述介质标况密度、所述用户指定的最大流量和流量单位，输入至移动终端中，并根据预设的流量系数公式计算出对应的流量系数；
多变量差压式气体质量流量变送器获取所述流量系数以及实时采集差压、工况压力和工况温度，并根据预设的气体质量流量算法计算出所述节流装置的气体瞬时质量流量；其中，所述流量系数为所述预设的气体质量流量算法中的常数部分。
2.根据权利要求1所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，所述预设的气体质量流量算法具体为：
Figure FDA0002710725020000011
其中，Qm为瞬时质量流量kg/s；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure FDA0002710725020000012
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)；
ρb为气体工况密度(kg/m3)；
理想气体方程：ρb＝ρd*(Pb*Td)/(Pd*Tb) (2)
ρd为介质标况密度(kg/Nm3)，Pd为设计压力(kpa)，Pb为工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)，Td为设计温度(K)；
Figure FDA0002710725020000013
则
Figure FDA0002710725020000014
其中，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure FDA0002710725020000015
属于变量部分。
3.根据权利要求2所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，所述流量系数具体为：
Figure FDA0002710725020000016
其中，A为第一常数；B为第二常数；
K在国家标准中称为流出系数，且
Figure FDA0002710725020000021
ζ为节流装置阻断系数；
ε为气体膨胀系数，计算时取最大流量2/3时的膨胀系数；
S为管道截面积(m2)；
ρd为被测介质标况密度(101.325kpa，且0℃)；
Qk为用户给定的满量程/最大流量(kg/h，m3/h或者Nm3/h)，其单位与计算出的流量单位一致。
4.根据权利要求3所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，
MSCO(m3/h)＝MSCO(kg/h)/介质工况密度 (6)；
MSCO(Nm3/h)＝MSCO(kg/h)/介质标况密度 (7)。
5.根据权利要求3所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，所述第一常数A的数据范围为0.2～3.0，所述第二常数B的数据范围4.0～11.0。
6.根据权利要求3所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，还包括，根据如下公式，将气体质量流量Qm转换成为百分数形式的瞬时质量流量Qi(％)：
Figure FDA0002710725020000022
其中，Qi(％)为百分数形式的瞬时质量流量，MSCO(kg/h)属于瞬时质量流量公式中的常数部分，
Figure FDA0002710725020000023
属于变量部分，ΔP为在节流装置上产生的差压值(pa)，Pb为气体工况压力(kpa)，Tb为工况温度(K)。
7.根据权利要求1所述的通用差压式气体质量流量测量方法，其特征在于，还包括：
控制所述移动终端接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数；
控制所述多变量差压式气体质量流量变送器接收所输入的流量系数、以及实时采集到的差压、工况压力和工况温度，并根据所述预设的气体质量流量算法计算所述节流装置的气体瞬时质量流量。
8.一种多变量差压式气体质量流量变送器，其特征在于，包括：菜单模块、计算模块和显示模块；
所述菜单模块，用于接收所输入或修改的流量系数、以及用于输入或修改变送器运行中所需要的各种参数，所述参数包括滤波常数、差压零点标定和4～20mA标定中的一种或多种；其中，所述流量系数是根据流出系数、膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，以及预设的流量系数公式计算得出；
所述计算模块，用于根据所述流量系数、所述差压、所述工况压力和所述工况温度，以及所述预设的气体质量流量算法，计算所述节流装置的气体瞬时质量流量；
所述显示模块，与所述菜单模块共同组成用户操作界面，用于显示多变量参数，和显示所述菜单模块所输入或修改的流量系数和所述参数；其中，所述多变量参数包括气体瞬时质量流量、累积质量流量、差压、压力、温度、仪表内部温度和流量的百分数中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的多变量差压式气体质量流量变送器，其特征在于，所述多变量差压式气体质量流量变送器还包括主板和传感器板；
所述传感器板上设有第一CPU芯片，所述第一CPU芯片用于采集所述差压、压力和温度信号，进行滤波和线性插值处理；
所述计算模块包括设置在所述主板上的第二CPU芯片，所述第二CPU芯片用于根据采集的信号进行质量流量计算，将多变量信号通过LCD屏幕显示以及通过HART总线方式输出，并将计算的气体瞬时质量流量通过4～20mA输出。
10.一种多变量差压式气体质量流量计算系统，其特征在于，包括：
移动终端，用于接收任一节流装置的流出系数和膨胀系数、管径、介质标况密度、用户指定的最大流量和流量单位，并根据预设的流量系数公式计算出流量系数；以及
如权利要求8或9所述的多变量差压式气体质量流量变送器。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的通用差压式气体质量流量测量方法。
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