0 引言

      为了满足工业生产和日常生活中管道流量测量的需要，近年来流量仪表的发展非常迅速。已开发和商用化的流量仪表大致可分为差压式、容积式、浮子式、叶轮式、电磁式等10大类100多个品种，基本能解决工业生产中流量测量的一般问题。但是，一些领域的流量测量问题仍难以解决，如脏污流、脉动流、腐蚀流等，尤其是在气体大流量测量领域，流量仪表的测量准确度、运行费用、安装维护费用、压力损失等都尚存在一定问题。

      在天然气、煤气等气体大流量测量领域，目前使用的流量计还仅限于差压式（如孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里管流量计等）、涡轮流量计、超声流量计、涡街流量计等等。由于这些介质一般都具有较大的腐蚀性，又往往含有较多杂质和水分，属脏污流体，对流量计的腐蚀、磨损、堵塞时有发生。另外，差压式流量计压力损失大，运行费用高，在大流量测量中一直受到限制；涡轮等有可动部件的流量计容易磨损和损坏，维护费用大；超声流量计成本高；涡街流量计在恶劣的工作环境中测量也存在较大问题。总之，目前国内外现有的流量仪表在测量诸如天然气、煤气等腐蚀、脏污流体的流量时尚存在种种困难。

      本文提出的空腔流量计，流道中没有可动部件，也没有其它阻碍流体流动的部件，压力损失小，维护方便。在测量气体流量方面无论是线性度、稳定性、低流量特性、范围度等方面都表现出较好的特性，是一种很有发展前途的新型流量仪表。

      1 空腔流量计的结构

      空腔流量计是人们在20世纪90年代中期提出来的一种流体振动式流量计，它是利用流体流过沿壁空腔而产生振荡的原理制成的流量计。与涡街流量计相似，其振荡频率正比于来流速度，只是结构上以一矩形空腔代替插入测量管中的旋涡发生体，所以结构更加牢固可靠。其简单结构和工作原理如图1所示。由于流量测量只在管壁形成的矩形空腔中进行，整个仪表再无其它阻碍流体流动的部件，所以空腔流量计的压力损失是微不足道的。从已发表的实验数据看[1]，在实验压力为0.1～5.56MPa，雷诺数为5 X 104   ～7 X 106的条件下，对口径为75mm、100mm等几种测量管尺寸的空腔流量计进行的气体流量测量，无论是线性度、稳定性、测量范围等方面都表现出较好的特性。

      考虑到小口径流量计空腔设计的难度和现实测试设备的可能性，我们对流量计本体的设计只考虑一种口径（φ50）的三种不同尺寸空腔。空腔尺寸分别为250 X 56 X 26，250 X 56 X 20，250 X 56 X 16。考虑到气体的温度、压力自动补偿，将温度传感器、压力传感器和流量计本体组成一体化智能仪表，如图2所示。

      2 传感器与信号处理

      一体化智能空腔流量计同时采集温度、压力和流量信号，实时计算显示工况累积流量qv或标准状态下累积流量qvo。所以，除了流量传感器外，还需要温度和压力传感器。

      温度传感器采用Pt100铂电阻温度计，压力传感器采用NS－2型微型压力传感器，温度和压力传感器采集得到的信号分别经微功耗放大器放大后送给处理器内置的A/D转换器转换成数字信号。

      流量信号由压电型流量传感器检测。由于流量信号非常微弱，压电传感器的内阻高，流量传感器输出的微弱信号经前置放大器放大整形成脉冲信号后直接送给处理机的计数器积算流量。

      3 智能积算器

      智能积算器以PIC系列单片机为核心，配以相关电路，对流量脉冲信号进行积算，并实时进行温度、压力参数的补偿，以显示工况累积流量qv和标准状态下累积流量qvo以及瞬时流量q'v和q'vo，温度、压力值。其系统组成如图3所示。

      由于PIC系列单片机具有高速度、低工作电压、低功耗和体积小等特点，设计中选择了片内带有10位五通道ADC、128字节数据EEPROM、3个定时器/计数器、2个捕捉/比较/脉冲调宽（PWM）等功能模块的PIC16F873单片机，减少了外围电路，提高了系统的可靠性[2] 。

      智能积算器对流量脉冲信号进行积算，并实时进行温度、压力参数的补偿计算，获得工况累积流量qv和标准状态下累积流量qvo以及工况瞬时流量 q'v和标准状态下瞬时流量q'vo等参量。测量结果通过LCD显示。其中，在单片机中进行的qv和qvo的运算关系如下式所示：

式中：qv0为标准状态下体积流量；qv为工作状态下体积流量；p为流量计压力检测点处的绝对压力；po为标准大气压；T为被测介质绝对温度；To为标准状态下绝对温度；Zo和Z分别表示标准状态和工作状态下的气体压缩系数；Fz为气体压缩因子。

      4 软件设计

      流量计的多功能特点通过软件设计得以体现，主要功能有对工况下流量、温度和压力信号的采集处理，获得工况累积流量qv、工况瞬时流量q'v、温度T和压力p；通过相关运算获得标准状态下累积流量qvo以及标准状态下瞬时流量q'vo等；通过按键切换在LCD显示器上输出测量结果；利用键盘设置密码、仪表系数、温度、压力、流量测量范围以及利用RS－485串行通信等功能。

      系统软件主要由主程序和中断服务程序及其大量功能模块手程序组成。主程序完成了CPU相关寄存器的初始设置、LCD模块的初始化，单片机内部各外围功能部件的初始设置、开放各相关的中断，然后进入更新显示并等待中断。中断服务程序中，按键中断完成按键识别、显示切换和各种参数设置：CCP2比较中断实现流量脉冲的记录并通过匹配值计算和比较获得累积流量；利用定时器0溢出中断获得秒基准，根据1秒钟流量脉冲数和相关仪表系数等进行运算获得瞬时流量，同时根据设置参数条件控制启动ADC，获得当前压力和温度值等[6] 。

      主程序和中断服务程序中涉及的大量采集、运算和输入输出控制功能均由模块子程序完成，使软件结构模块化、合理化。为了适应电池供电使用，必须尽量降低CPU主频和工作电压并采取其它节能措施以降低系统功耗。为了保证低主频下能实时完成系统中的复杂运算和处理，设计中采用汇编语言编程，并采用各种快速和优化算法提高处理效率，优化系统软件设计。文献[6]叙述了详细的软件流程图。

      5 结果与分析

      测试结果表明：

      ①智能积算器性能良好，瞬时流量精度除少数流量点外，基本都在±0.2%以内；累积流量精度优于±0.2%；

      ②流量计本体流量频率特性模拟测试的结果表明该空腔流量计流量信号频率基本稳定；

      ③在钟罩标准装置上进行流量频率特性测试得到空腔流量计的仪表系数为一条曲线。线性欠佳和流量范围不宽是目前的缺陷，需进一步试验研究。

      分析上述结果，仪表系数的线性误差完全可以通过智能二次仪表的分段插值或曲线拟合等方法补偿消除[4，5]。不会成为制约该仪表发展的根本因素。

      综上所述，本项目研制的一体化智能空腔流量计应是一种很有发展前途的流量仪表，它具有如下特点：

      ①流量计一次部件采用了独特的矩形空腔结构，结构上更加牢固可靠，不怕腐蚀、没有磨损、堵塞等问题，压力损失非常微小，流量计运行成本几乎可以忽略。在测量脏污流体和腐蚀性流体时有很好的性能，在测量天然气、煤气等较脏介质时具有优势。并且，不易损坏，维护费用很低；

      ②整个仪表具有一体化结构，流量传感器既可现场指示流量值，又可发送标准流量信号，并采用RS－485串行接口实现与上位机或其它智能仪表通信以实现流量计的集中管理；

      ③采用智能化技术实现工况条件下的温度、压力自动补偿和对气体压缩系数进行自动修正，提高测量精度。它还具有仪表参数设置权限功能，只有具备仪表操作权限的人员才能进行设置仪表系数、消除累积流量等重要操作；

      ④采用微功耗器件，既可用电池供电长期工作，也可外部直流供电。

      参考文献

      1 Kim R K.A new gas flowmeter based on cavity oscillations[J].Flow Measurement Instrumentation,1992        (2):103～111
      2 窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M].北京：航空航天大学出版社,1999
      3 梁国伟，蔡武昌，主编.流量测量技术与仪表.北京：机械工业出版社，2002
      4 梁国伟.脉冲型流量传感器仪表常数准确性研究[J].计量技术，1998（11）
      5 梁国伟，赵蓓茁.双时间法在脉冲型流量传感器检定中的应用[J].中国计量学院学报，2002，13（1）
      6 毛谦敏，李文军，郑建光，周宁宁，梁国伟.一体化智能空腔流量计的研究[J].中国计量学院学报，2003，14（4）

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