智能補(bǔ)償式流量積算儀

0 引言
能源計(jì)量中存在著大量的流量檢測(cè)儀表，設(shè)計(jì)中采用渦街流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量進(jìn)行計(jì)量，結(jié)合溫度和壓力傳感器，組成流量溫壓補(bǔ)償系統(tǒng)。由于工況現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，被測(cè)信號(hào)常常被大量噪聲干擾所淹沒(méi)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)渦街流量信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理。并引進(jìn)壓縮系數(shù)z對(duì)流量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正以提高計(jì)量度。該系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫壓補(bǔ)償計(jì)算，并可提供RS485遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ芎蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)。
1 渦街流量信號(hào)預(yù)處理
使用頻譜分析法 把信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，用能量的角度分析信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)中各個(gè)頻率分量在頻域上幅值的比較判別出渦街頻率，再通過(guò)Q=f×3600/K算出流量值。原理框圖見(jiàn)圖1。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
文中設(shè)計(jì)的流量積算儀硬件部分主要包括$3C44BOXI6 主控模塊、模擬信號(hào)輸入和脈沖流量信號(hào)

輸入、鍵盤(pán)與顯示電路、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取電路、數(shù)據(jù)的串行通信與流量信號(hào)的再發(fā)送電路 ，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
ARMT芯片S3C44B0X芯片具有豐富的片上資源，包括：帶8kB的高速緩沖器；1通道多主IIC總線控制器；兩通道URAT（帶有握手協(xié)議，支持IrDA1.0，具有16一ByteFIFO）；看門(mén)狗定時(shí)器和帶PLL的片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器；8通道10位ADC輸入和71個(gè)通用的I/O端口；帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）等，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求并能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

流量傳感器（溫度、壓力傳感器）送人0～10 mA或4～20 mA模擬信號(hào)到芯片的模擬輸入端，為了盡量的簡(jiǎn)化硬件電路且考慮到儀表的輸入誤差為滿量程的±0.1％ ，數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)中選取了一片16位高精度的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADSlll0與ARM微處理器的IIC接口相連。
流量變送器（傳感器）傳人頻率流量信號(hào)，頻率信號(hào)通過(guò)頻譜分析獲得，利用快速傅里葉變換FF1、算法將流量信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換為0—10 kHz的頻率信號(hào)，它輸出的頻率流量信號(hào)通常是三角波、正弦波、矩形脈沖三種波形，在頻譜圖中渦街頻率為幅值高的頻率。
$3C44BOX處理器內(nèi)部有一個(gè)LCD控制器，使用時(shí)只需外接一個(gè)LCD模塊即可滿足顯示的硬件需求，因此本系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面。通過(guò)主板自帶鍵盤(pán)可人工置人參數(shù)實(shí)現(xiàn)各種查詢及修改操作，如流量計(jì)儀表系數(shù)的現(xiàn)實(shí)、時(shí)間及流量上限的設(shè)置等；LCD采用大屏幕寬溫度液晶屏且可顯示中文字符，如當(dāng)前的溫度、壓力、時(shí)問(wèn)、瞬時(shí)流量、累積流量和電池電量等信息，并可滿足野外環(huán)境使用。可按流體種類(lèi)（如一般氣體或蒸氣）的不同，選用相應(yīng)的補(bǔ)償公式和不同工況參數(shù)對(duì)流量進(jìn)行積算，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。
本系統(tǒng)擴(kuò)展了RS232和RS485串行接口，可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；并擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口，組成能源計(jì)量網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。擴(kuò)展了一片16 MB的大容量FLASH存儲(chǔ)器以滿足更多信息的存儲(chǔ)，可將記錄的數(shù)據(jù)存放在儀表內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)閱讀，也可由計(jì)算機(jī)用通信的方法讀取。FLASH中的數(shù)據(jù)和參數(shù)在斷電情況下也可長(zhǎng)期保存。
3 流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型
密度運(yùn)算是氣體流量溫壓補(bǔ)償?shù)暮诵膯?wèn)題和難點(diǎn)所在，不同的流量傳感器得到的流量數(shù)據(jù)類(lèi)型不同，都要經(jīng)過(guò)密度計(jì)算，并結(jié)合相應(yīng)流量傳感器的基本流量公式將流量數(shù)據(jù)裝換成標(biāo)準(zhǔn)流量。
目前在線直接測(cè)量流體的工況密度難度很大，一般都是通過(guò)在線測(cè)量流體的工況溫度和壓力來(lái)間接獲取流體密度，溫度、壓力變化會(huì)引起流體密度發(fā)生變化，檢測(cè)工況溫度和壓力的目的就是為了計(jì)算密度，所以氣體的流量溫壓補(bǔ)償其實(shí)就是氣體流量的密度補(bǔ)償。
當(dāng)輸入信號(hào)分別為差壓信號(hào)、線性信號(hào)和脈沖信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)的流量溫壓補(bǔ)償模型也不同，下面分別分析3種不同的輸入信號(hào)所對(duì)應(yīng)的溫壓補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)使用的渦街流量傳感器發(fā)出的信號(hào)是脈沖信號(hào)，因此將重點(diǎn)分析脈沖流量溫壓補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

為流量系數(shù)，這里將k當(dāng)成常數(shù)來(lái)看，△p為流量傳感器輸出的差壓值，ρ為被測(cè)流體工況密度，Q為被測(cè)流體的工況體積流量，Qm為被測(cè)流體的質(zhì)量流量。則式（1）可變?yōu)?br />
2）輸入為線性信號(hào)
① 一般氣體
設(shè)QG為工況體積流量，Qn為標(biāo)準(zhǔn)體積流量，則經(jīng)補(bǔ)償后


式中p，為工況下的密度，ρf為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度。可將式（4）進(jìn)行變換。有

② 蒸氣
蒸氣用質(zhì)量流量Qm表示。ρf是通過(guò)查表法或公式法得到的在線溫度、壓力下的蒸氣密度，則

式中f—流量計(jì)輸入信號(hào)頻率／Hz，K—脈沖系數(shù)
脈沖流量傳感器可看成是線性方式傳感器的特例。將Qv作為QG代人式（4）即可。
4）累計(jì)流量與瞬時(shí)流量之間的關(guān)系

Q——累計(jì)流量值；
dt——采樣周期；
KT——累計(jì)倍率；
Ri——瞬時(shí)流量單位時(shí)間換算系數(shù)。
4 軟件設(shè)計(jì)
程序的總體設(shè)計(jì)思路包括以下幾個(gè)部分：初始化程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序、FLASH讀寫(xiě)程序、中斷處理程序。系統(tǒng)啟動(dòng)后，需要對(duì)全局變量、控制寄存器、輸入輸出端口和特殊功能寄存器進(jìn)行初始化操作；通過(guò)循環(huán)掃描鍵盤(pán)來(lái)判斷外部輸入，以調(diào)用不用的菜單項(xiàng)顯示內(nèi)容，進(jìn)入改寫(xiě)模式后可以對(duì)流量的補(bǔ)償系數(shù)和參數(shù)進(jìn)行修改，修改完成后調(diào)用FLASH存儲(chǔ)程序，將修改好的參數(shù)值存入FLASH中；數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)輸入的頻率信號(hào)和模擬信號(hào)的采樣值進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)合不同的工況參數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量的值；中斷處理程序包括頻率信
號(hào)輸入程序、模擬信號(hào)輸入程序、定時(shí)中斷程序和數(shù)據(jù)發(fā)送程序，頻率中斷程序有中斷的初始化程序和脈沖的計(jì)數(shù)程序組成，模擬輸入的中斷程序是嵌入到定時(shí)中斷程序中的，每隔100 ms出發(fā)一次中斷，進(jìn)行一次模擬輸入的采樣，連續(xù)采樣5次做平均值作為一次瞬時(shí)流量的采樣值。數(shù)據(jù)發(fā)送程序是按照約定的通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。主程序的流程圖如圖3所示。
5 誤差分析
儀表測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定：如果溫度傳感器的測(cè)量范圍為-40～85℃ ，測(cè)量誤差為0.5℃ ，約為0.7％ ；壓力傳感器誤差為0.5％ ；表體誤差取0.8％。
則系統(tǒng)總的不確定度可用下式計(jì)算

由上面溫壓補(bǔ)償模型均是將一般氣體近似理解為理想氣體，忽略了壓縮系數(shù)z變化帶來(lái)的影響，而實(shí)際氣體存在一定程度的濕度問(wèn)題，蒸氣傳輸過(guò)程中可能發(fā)生相變產(chǎn)生氣液兩相流，飽和蒸氣存在干度問(wèn)題，差壓傳感器C， 和d等參數(shù)都可能受到溫度、流量等的影響而改變。因此氣體流量檢測(cè)僅采用動(dòng)態(tài)溫壓補(bǔ)償技術(shù)并不全面，要得到更高的檢測(cè)精度應(yīng)該考慮其他更全面的流量補(bǔ)償技術(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)的基于S3C44BOX的流量積算儀除了具有在線進(jìn)行壓縮因子的計(jì)算補(bǔ)償外，還具有存儲(chǔ)、顯示、計(jì)算等功能，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱?chǎng)合，該流量?jī)x表工作科學(xué)化，智能化、成本較低，更具一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，適應(yīng)了當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)要求。