蒸汽的智能測(cè)量方法研究

劉淑平， 李維平

1.濟(jì)南新興冷暖設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南 250100

2.濟(jì)南電子機(jī)械工程學(xué)校，山東濟(jì)南 250101

蒸汽的智能測(cè)量方法研究

劉淑平1， 李維平2

1.濟(jì)南新興冷暖設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南 250100

2.濟(jì)南電子機(jī)械工程學(xué)校，山東濟(jì)南 250101

在飽和蒸汽流量計(jì)量中，分流旋翼式流量計(jì)是重要的流量計(jì)。傳統(tǒng)的旋翼式流量計(jì)為機(jī)械式，精確度低。本文采用先進(jìn)的微控制器及優(yōu)化的軟硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出具有智能化檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字化顯示等功能的旋翼式流量計(jì)，使用結(jié)果表明能夠可靠地實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)量。

旋翼；流量計(jì)；智能

分流旋翼式流量計(jì)是主要用來(lái)測(cè)量氣體、蒸汽等累積流量的儀表。廣泛應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部物料核算和管理。其中用于飽和蒸汽流量計(jì)量的流量計(jì)使用最廣。其優(yōu)點(diǎn)是安裝操作極簡(jiǎn)便，流量范圍寬廣，在中小流量方面尚無(wú)合適替代流量計(jì)，在全部蒸汽流量計(jì)中其價(jià)格最低廉等。特別在飽和蒸汽兩相流測(cè)量中，儀表實(shí)際反映的是氣體部分的流量，適合于蒸汽的熱量計(jì)量。

分流旋翼式流量計(jì)的基本原理是在主流管道中裝置一塊節(jié)流孔板，由于它的節(jié)流作用，在孔板前后將產(chǎn)生壓力差，在節(jié)流件上、下游兩側(cè)開孔，接向另一分流管路，并在上游分流管人口安裝噴嘴。在壓力差的作用下，流經(jīng)分流管路的流體經(jīng)噴嘴沖擊旋翼(翼輪)使其旋轉(zhuǎn)，實(shí)踐證明翼輪的轉(zhuǎn)速與流經(jīng)分流管的流量是成正比的。因?yàn)橹髁髋c分流之間的分流比在一定流量范圍內(nèi)是一個(gè)常數(shù)，測(cè)出分流量就可推知總流量。傳統(tǒng)的旋翼式流量計(jì)的顯示裝置為機(jī)械式，壓力補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)靠手動(dòng)進(jìn)行，精確度較低。故研制一種具有智能化檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字化顯示的高精度分流旋翼式流量計(jì)具有重要意義。

為了使所設(shè)計(jì)的流量計(jì)具有功能強(qiáng)、精度高、可靠性好，而且具有通用性，本文對(duì)設(shè)計(jì)提出了如下要求：能夠測(cè)量蒸汽溫度；實(shí)現(xiàn)密度補(bǔ)償；可手動(dòng)設(shè)置密度；多點(diǎn)儀表系數(shù)修正；輸入信號(hào)頻率范圍為1Hz～2 000Hz；顯示瞬時(shí)、累計(jì)量、密度、溫度值；存儲(chǔ)累計(jì)量和儀表系數(shù)；4mA～20mA電流輸出；24V脈沖信號(hào)輸出。

蒸汽密度是關(guān)于溫度或者壓力的單變量函數(shù)，因此進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)只要采集到了溫度數(shù)據(jù)或者壓力數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出密度值。但壓力傳感器的價(jià)格比溫度傳感器高出幾十倍，故本設(shè)計(jì)采用溫度來(lái)計(jì)算密度的方案。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文采用PIC18F452單片機(jī)作為智能處理單元。該單片機(jī)內(nèi)置有本文用到的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、A/D模塊、EEPROM和PWM模塊等資源，它們能夠極大地簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

根據(jù)流量計(jì)的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的硬件系統(tǒng)。圖中包含2大部分，上部虛線框內(nèi)為流量計(jì)一次表結(jié)構(gòu)。內(nèi)部主要由分流孔板，噴嘴，翼輪，溫度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成。溫度傳感器可采用PT100進(jìn)行溫度采集。

圖1下部虛線框內(nèi)為流量計(jì)二次表結(jié)構(gòu)。為了使設(shè)計(jì)的流量計(jì)具有通用性，既可以用電池供電，又能夠由24V/5V電源供電，故電路設(shè)計(jì)了2套電源，如圖所示，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求具有4mA～20mA輸出功能，這里采用AM402電壓/電流轉(zhuǎn)換集成電路,該電路具有輸出5V電源的功能。為了在電池供電時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間顯示數(shù)據(jù)，這里采用通用型段式液晶顯示模塊LCM141作為顯示器件。對(duì)于溫度數(shù)據(jù)的采集放大電路中，對(duì)于PT100，采用恒流源供電，該部分電路消耗能量較大，為降低功耗，該部分電路不采用電池直接供電，而是由單片機(jī)的任一I/O端口供電。由該端口控制溫度采集電路的供電時(shí)間，如5s鐘采樣一次溫度值，則在采樣前通電，采樣后立即關(guān)斷。

分流旋翼式流量計(jì)的工作原理為：蒸汽流經(jīng)表體內(nèi)部時(shí)，其中一路流體經(jīng)噴嘴沖擊翼輪旋轉(zhuǎn)，翼輪上的磁鋼轉(zhuǎn)至速度傳感器的電磁線圈，便感應(yīng)出電脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)的頻率與流體流速成正比，利用公式：

可計(jì)算出體積流量值。

同時(shí)溫度傳感器采集溫度值，經(jīng)放大后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的飽和蒸汽溫度與密度關(guān)系表，利用查表方式計(jì)算出密度d，然后將體積流量乘以密度就得到了質(zhì)量流量。最后，單片機(jī)將流量值送顯示器進(jìn)行顯示。

圖1

針對(duì)旋翼式流量計(jì)，本文設(shè)計(jì)的軟件程序軟件架構(gòu)采用的措施及其意義如下：

1）5 s鐘采集一次溫度值，以降低功耗；

2）手動(dòng)設(shè)置儀表參數(shù)0.5s的節(jié)拍，使設(shè)置的速度適中；

3）從流量計(jì)算模塊開始往下執(zhí)行的各個(gè)程序模塊都是的以1s為節(jié)拍。這樣，儀表系數(shù)的設(shè)置、流量的計(jì)算、PWM信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)傳、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、各類數(shù)據(jù)的顯示等工作都是在1秒內(nèi)完成的，程序中各個(gè)模塊的執(zhí)行都有一定的順序，有規(guī)律可循，便于軟件編寫。此外，以1s為節(jié)拍還有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，符合人眼視覺的生理特點(diǎn)；其二，能夠效果顯著地降低功耗，因?yàn)檫@樣程序不必?zé)o休止地運(yùn)行，只是在顯示數(shù)據(jù)需要更新的時(shí)候才運(yùn)行一次；

4）為所有需要顯示的內(nèi)容共設(shè)一個(gè)顯示緩沖，需要顯示內(nèi)容時(shí)，只要將要相應(yīng)的顯示緩沖內(nèi)的內(nèi)容送至顯示函數(shù)模塊即完成了顯示功能。這樣做的好處是避免了為每一項(xiàng)需要顯示的內(nèi)容編寫顯示程序，省卻編寫大量類似的重復(fù)程序，使得軟件更加精簡(jiǎn)。由此既減少了程序存儲(chǔ)器的代碼占有率，又可提高了代碼執(zhí)行效率。

設(shè)計(jì)完成了旋翼式蒸汽流量計(jì)的軟、硬件系統(tǒng)以后，為了檢測(cè)該流量計(jì)的計(jì)量精度和可靠性，在多家公司標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明該流量計(jì)的精度非常高。

[1]蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱.流量測(cè)量方法和儀表的選用[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2001，4.

[2]王化祥.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004，8.

TH814

A

1674-6708（2010）28-0102-01