CN113962109A - 应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，包括传感器本体、数字控制器和显示器，数字控制器分别与传感器本体和显示器电连接，所述传感器本体用于根据蒸汽源流经阻塞流节点前及阻塞流节点后情况，产生节点前信号和节点后信号；所述数字控制器内置模糊PI控制模型，通过模糊PI控制模型对传感器本体进行控制；所述数字控制器还用于根据两个信号的相位差计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量。采用数字控制器内置模糊PI控制模型来对传感器本体进行控制，采用模糊PI控制算法实现快速稳定测量，提高了测量的灵活性与适应性。

Description

应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计

技术领域

本发明涉及质量流量计信号处理与控制技术领域，特别涉及一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计。

背景技术

质量流量计是采用感热式测量，通过分体分子带走的分子质量多少从而来测量流量，因为是用感热式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果。质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用。质量流量计能检测液体或者气体的质量流量，通过模拟电压、电流或者串行通讯输出流量值。

阻塞流是指不可压缩流体或可压缩流体在流过调节阀时所达到的最大流量状态(即极限状态)。在固定的入口条件下，阀前压力P₁保持一定而逐步降低阀后压力P₂时，流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值，再继续降低P₂，流量不再增加，这个极限流量即为阻塞流。

现有质量流量计(如图1所示)智能化程度不高，稳定性较差，在对流量存在不断变化(如存在阻塞流)的流体进行测量时，无法快速得到稳定可靠的测量结果，测量误差大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，包括传感器本体、数字控制器和显示器，数字控制器分别与传感器本体和显示器电连接，其中，

所述传感器本体用于根据蒸汽源流经阻塞流节点前及阻塞流节点后情况，产生节点前信号和节点后信号；

所述数字控制器内置模糊PI控制模型，通过模糊PI控制模型对传感器本体进行控制；所述数字控制器还用于根据两个信号的相位差计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量。

可选的，所述传感器本体包括驱动器、两个检测线圈和两根平行的流量管，所述流量管的两端固定，所述驱动器安装在流量管中部，所述流量管两端与驱动器距离相等位置各安装一个检测线圈；

所述数字控制器分别与驱动器和两个检测线圈电连接，所述模糊PI控制模型控制驱动器快速实现稳定。

可选的，所述数字控制器根据信号频率计算得到蒸汽的密度，然后通过转换公式将密度转换为蒸汽压力。

可选的，所述流量管上安装有温度传感器，所述温度传感器与数字控制器连接。

可选的，所述数字控制器包括变送单元，所述变送单元与驱动器连接，所述变送单元用于给驱动器提供激励电压。

可选的，所述数字控制器包括数据采集单元、运算单元和主控芯片单元；所述主控芯片单元分别与数据采集单元、运算单元和显示器连接，所述数据采集器与传感器本体连接；

所述模糊PI控制模型设置于主控芯片单元内，所述主控芯片单元用于流量测量过程的控制；

所述运算单元用于根据主控芯片单元的控制指令进行相应计算。

可选的，所述主控芯片单元连接有通信单元，所述通信单元采用无线信号方式连接网络，实现远程维护与管理。

可选的，所述模糊PI控制模型对驱动器进行控制的方式如下：

首先，采用正负交替阶跃信号控制驱动器对流量管进行启振；

其次，以FIR的低通滤波器对节点前信号和节点后信号进行处理，以预设阀值确定零点数据，以最小二乘法曲线拟合得到过零点，计算信号频率；

再次，检测信号的实时幅值，对设定幅值和实时幅值分别取自然对数，然后计算两个自然对数的差值作为输入偏差，经模糊PI控制得到输出的幅值增益；

最后，以信号频率和幅值增益通过DDS波形数字频率合成得到控制信号，以控制信号对驱动器进行控制。

可选的，采用正负交替阶跃信号控制驱动器对流量管进行启振时，若流量管的信号相位在设定范围则施加负阶跃信号；反之则施加正阶跃信号使得信号幅值增大。

可选的，所述主控芯片单元连接有报警器，当主控芯片单元判断存在异常时，所述报警器发出报警信号。

本发明的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，通过采用数字控制器内置模糊PI控制模型来对传感器本体进行控制，采用模糊PI控制算法实现快速稳定测量，提高了测量的灵活性与适应性；数字控制器用于接收传感器本体的节点前信号和节点后信号，根据两个信号的相位差与蒸汽质量流量的比例关系，通过计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为当前现有技术的质量流量计示意图；

图2为本发明实施例中一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计示意图；

图3为本发明的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计实施例采用的传感器本体立体示意图；

图4为本发明图3实施例的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计采用的流量管立体示意图；

图5为本发明的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计实施例采用的数字控制器示意图；

图6为本发明的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计实施例的节点前信号和节点后信号曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明实施例提供了一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，包括传感器本体1、数字控制器2和显示器3，数字控制器分别与传感器本体和显示器电连接，其中，

所述传感器本体用于根据蒸汽源流经阻塞流节点前及阻塞流节点后情况，产生节点前信号和节点后信号；

所述数字控制器内置模糊PI控制模型，通过模糊PI控制模型对传感器本体进行控制；所述数字控制器还用于根据两个信号的相位差计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的数字控制器内置模糊PI控制模型来对传感器本体进行控制，采用模糊PI控制算法实现快速稳定测量，提高了测量的灵活性与适应性；数字控制器用于接收传感器本体的节点前信号和节点后信号，根据两个信号的相位差与蒸汽质量流量的比例关系，通过计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量，方便数据读取与使用。

在一个实施例中，如图3-4所示，所述传感器本体包括驱动器12、两个检测线圈和两根平行的流量管11，两个检测线圈分别为第一检测线圈13和第二检测线圈14，所述流量管11的两端固定，所述驱动器安装在流量管11中部，所述流量管11两端与驱动器距离相等位置各安装一个检测线圈；

所述数字控制器分别与驱动器和两个检测线圈电连接，所述模糊PI控制模型控制驱动器快速实现稳定。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的质量流量计以科氏力为基础，将流量管的两端连接在蒸汽管上，数字控制器提供的激励电压加到驱动器上时，流量管作往复周期振动，工业过程的流体介质流经传感器的流量管，就会在流量管上产生科氏力效应，使两根流量管扭转振动，安装在流量管两端的检测线圈将产生相位不同的节点前信号或者节点后信号的信号这两组信号，其中节点前信号或者节点后信号的信号频率相同，这两个信号的相位差与流经流量管的流体质量流量成比例关系，计算机解算出流经流量管的质量流量；本方案中的流量管为S形。

在一个实施例中，所述数字控制器根据信号频率计算得到蒸汽的密度，然后通过转换公式将密度转换为蒸汽压力。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在数字控制器内设定密度计算公式，根据输出的节点前信号或者节点后信号的信号频率，可以得到蒸汽密度；由于不同的介质流经传感器本体时，流量管的振动频率不同，蒸汽流经传感器本体时流量管的振动频率确定，因此产生的信号频率确定，据此解算出蒸汽密度，蒸汽密度可以反映出蒸汽压力，由此对蒸汽的压力是否异常进行判断，数字控制器可以设置报警器，若存在异常则由报警器发出报警信号，提高蒸汽供应系统安全。

在一个实施例中，所述流量管上安装有温度传感器，所述温度传感器与数字控制器连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在流量管上安装有温度传感器，安装在传感器本体流量管上的温度传感器可以采用铂电阻温度传感器，由于蒸汽温度不同，铂电阻温度传感器的电阻值也不同，由此可测量出蒸汽的温度，对蒸汽的温度是否异常进行判断，若存在异常则发出报警信号，提高蒸汽供应系统安全。

在一个实施例中，如图5所示，所述数字控制器包括变送单元，所述变送单元与驱动器连接，所述变送单元用于给驱动器提供激励电压。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用变送单元给驱动器提供激励电压，从而以驱动器对流量管进行启振，缩短了反应时间，提高了反应速度，使得质量流量计可以快速进行测量。

在一个实施例中，如图5所示，所述数字控制器包括数据采集单元、运算单元和主控芯片单元；所述主控芯片单元分别与数据采集单元、运算单元和显示器连接，所述数据采集器与传感器本体连接；

所述模糊PI控制模型设置于主控芯片单元内，所述主控芯片单元用于流量测量过程的控制；

所述运算单元用于根据主控芯片单元的控制指令进行相应计算。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的数字控制器包括数据采集单元、运算单元和主控芯片单元，以数据采集单元收集传感器信号数据，以主控芯片单元进行测量控制，以运算单元根据设定算法及策略进行相应计算，实现快速精度的测量。

在一个实施例中，所述主控芯片单元连接有通信单元，所述通信单元采用无线信号方式连接网络，实现远程维护与管理。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置通信单元，采用无线信号方式连接网络，实现远程维护与管理，例如，可以在网络上设置管理平台，通过管理平台远程检测质量流量计工作情况，若对质量流量计的内置控制软件进行了改进，可以将改进后的升级软件上传到管理平台，通过网络连接进行下载与软件升级，因此可以提高管理及维护效率，降低成本。

在一个实施例中，所述模糊PI控制模型对驱动器进行控制的方式如下：

首先，采用正负交替阶跃信号控制驱动器对流量管进行启振；优选地，若流量管的信号相位在设定范围则施加负阶跃信号；反之则施加正阶跃信号使得信号幅值增大；

其次，以FIR的低通滤波器对节点前信号和节点后信号进行处理，以预设阀值确定零点数据，以最小二乘法曲线拟合得到过零点，计算信号频率；

再次，检测信号的实时幅值，对设定幅值和实时幅值分别取自然对数，然后计算两个自然对数的差值作为输入偏差，经模糊PI控制得到输出的幅值增益；

最后，以信号频率和幅值增益通过DDS波形数字频率合成得到控制信号，以控制信号对驱动器进行控制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过提供正负交替阶跃信号对流量管进行启振，然后在工作中以节点前信号和/或节点后信号的信号频率，以及经模糊PI控制得到输出的幅值增益，通过DDS波形数字频率合成得到控制信号用于对驱动器进行控制，可以增强测量稳定性，减小偏差，提高测量精度；在此过程中，还对对节点前信号和节点后信号进行滤波处理，排除信号干扰，保障信号真实可靠，降低干扰造成的误差；另外，对启振的正负交替阶跃信号，可以优选采用以下方式：若流量管的信号相位在设定范围则施加负阶跃信号；反之则施加正阶跃信号使得信号幅值增大，通过信号设定范围作为比对来确定施加阶跃信号的正、负类型，可以加快使得信号稳定在设定范围，提高了智能化程度，在进行测量时可以适应存在阻塞流的蒸汽流量变化，能够快速得到稳定可靠的测量结果。

在一个实施例中，所述运算单元采用以下公式计算质量流量：

上式中，Q_m表示质量流量；ω表示流量管扭转的角速度；Δx表示两个检测线圈之间流量管的长度；ΔFc表示切向科里奥利力；K表示蒸汽的质量流量与信号相位差的比值，与质量流量计有关，预先设定；δ表示节点前信号和节点后信号的相位差。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过上述设定的公式计算蒸汽的质量流量，该公式反映了工作时质量流量与流量管扭转的角速度及信号相位差的相互关系，在模糊PI控制模型对驱动器控制的基础上，快速提到稳定的信号输出，再以上式计算获得精确的蒸汽质量流量数据。

在一个实施例中，所述主控芯片单元采用以下公式分别对节点前信号及节点后信号进行补偿：

上式中，W‘表示补偿后的信号值；W表示点前信号或者节点后信号的信号值；τ表示点前信号或者节点后信号的信号峰值邻域；γ表示信号峰值邻域内的一点；

表示点前信号或者节点后信号的信号分布曲线函数在信号峰值邻域内的偏导。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用对节点前信号及节点后信号进行补偿的方式，可以提高抗干扰能力，降低干扰对测量精度的不利影响；采用的上述公式算法，以节点前信号及节点后信号传输中的信号值为分析对象，利用多项式拟合原理，对信号分布曲线进行分析，从而计算出节点前信号及节点后信号传输中的信号因干扰产生的误差值，通过将该误差值与检测线圈原始输出的节点前信号或者节点后信号相加得到补偿调整后的节点前信号或者节点后信号的信号值。

本发明的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，使用时，其输出信号如图6所示，曲线A为第一检测线圈13输出的节点前信号，曲线B为第二检测线圈14输出的节点后信号，δ为节点前信号和节点后信号的相位差；数字控制器对该两个信号的进行处理，即可得到蒸汽的质量流量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，包括传感器本体、数字控制器和显示器，数字控制器分别与传感器本体和显示器电连接，其中，

所述传感器本体用于根据蒸汽源流经阻塞流节点前及阻塞流节点后情况，产生节点前信号和节点后信号；

所述数字控制器内置模糊PI控制模型，通过模糊PI控制模型对传感器本体进行控制；所述数字控制器还用于根据两个信号的相位差计算得到蒸汽质量流量，并在显示器上显示质量流量。

2.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述传感器本体包括驱动器、两个检测线圈和两根平行的流量管，所述流量管的两端固定，所述驱动器安装在流量管中部，所述流量管两端与驱动器距离相等位置各安装一个检测线圈；

所述数字控制器分别与驱动器和两个检测线圈电连接，所述模糊PI控制模型控制驱动器快速实现稳定。

3.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述数字控制器根据信号频率计算得到蒸汽的密度，然后通过转换公式将密度转换为蒸汽压力。

4.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述流量管上安装有温度传感器，所述温度传感器与数字控制器连接。

5.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述数字控制器包括变送单元，所述变送单元与驱动器连接，所述变送单元用于给驱动器提供激励电压。

6.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述数字控制器包括数据采集单元、运算单元和主控芯片单元；所述主控芯片单元分别与数据采集单元、运算单元和显示器连接，所述数据采集器与传感器本体连接；

所述模糊PI控制模型设置于主控芯片单元内，所述主控芯片单元用于流量测量过程的控制；

所述运算单元用于根据主控芯片单元的控制指令进行相应计算。

7.根据权利要求6所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述主控芯片单元连接有通信单元，所述通信单元采用无线信号方式连接网络，实现远程维护与管理。

8.根据权利要求2所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述模糊PI控制模型对驱动器进行控制的方式如下：

首先，采用正负交替阶跃信号控制驱动器对流量管进行启振；

其次，以FIR的低通滤波器对节点前信号和节点后信号进行处理，以预设阀值确定零点数据，以最小二乘法曲线拟合得到过零点，计算信号频率；

再次，检测信号的实时幅值，对设定幅值和实时幅值分别取自然对数，然后计算两个自然对数的差值作为输入偏差，经模糊PI控制得到输出的幅值增益；

最后，以信号频率和幅值增益通过DDS波形数字频率合成得到控制信号，以控制信号对驱动器进行控制。

9.根据权利要求8所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，采用正负交替阶跃信号控制驱动器对流量管进行启振时，若流量管的信号相位在设定范围则施加负阶跃信号；反之则施加正阶跃信号使得信号幅值增大。

10.根据权利要求1所述的应用于粘性阻塞流的蒸汽源的可显示蒸汽质量流量计，其特征在于，所述主控芯片单元连接有报警器，当主控芯片单元判断存在异常时，所述报警器发出报警信号。

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