流量精度（精选4篇）
流量精度 篇1
随着大庆油田开发时间的推移, 为了更好地获得各个层段的吸水量, 测取流量参数的传感器也在不断地改进。一大队所用的九方和仪器厂仪器都采用了超声流量传感器, 它优于涡轮流量计和电磁流量计, 流量测量准确度受被测流体温度、压力、粘度等物性参数影响较小。
1 超声流量计的工作原理
超声波流量测定原理是多样的, 本文中所涉及的超声波流量计采用的是超声波传输时间差法。超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 利用这一特点可求出流体的速度, 再根据管道流体的截面积便可知道流体的流量。在流量短接的两端各安装一个超声波传感器, 它们既可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。
设顺流方向的传播时间为t1, 逆流方向的传播时间为t2, 流体静止时的超声波传播速度为c, 流体流动速度为v, 则
一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 因此超声波传播时间差为:由于c>>v从上式便可得到流体的流速为:
超声流量计的设计只采用了两个简单的超声波传感器, 不同于涡轮流量计测量过程中叶片产生磨损的情况, 当流体流经两个传感器之间时, 均是流畅地通过, 不会对传感器造成堵塞、沾污和磨损等伤害。从原理上看超声波具有方向性好穿透能力强, 在流体中的传播速度远远大于流体本身的流速, 这就使得超声波不受流体粘度密度等物性的影响可以畅通地发射和接收。
具备了先进的测量原理, 还应经受得住实践的考验。本文接下来通过不同流量计之间和同种流量计之间的对比分析来研究流量计的性能。
2 超声流量计性能的对比和分析
在仪器使用过程中, 由于操作不合理、仪器自然老化等原因使得仪器稳定性出现相应的变化, 使用一定时间后都需要对其进行流量标定。下面就从流量标定方面对目前测试一大队在用的九方制造五参数组合测井仪和仪器厂制造五参数组合测井仪、西安思坦同位素五参数组合测井仪的稳定性和相关系数对比分析。
2.1 三种仪器进行流量标定分析
任意取九方制造五参数组合测井仪、仪器厂制造五参数组合测井仪和西安思坦同位素五参数组合测井仪各一支, 进行室内流量标定。根据实际流量和计数之间的对应关系, 拟合回归出一条直线, 即流量与计数的关系曲线, 通过它可以确定出斜率和截距进而得到一直线方程, 然后再将每个流量下对应的计数代入方程, 求出线性方程的理论流量, 和实际流量比较计算, 求得相对误差和平均相对误差。
从表1相对误差和平均相对误差的计算结果明确显示出九方仪器在稳定性方面比其他两种仪器更稳定更有优势, 应用到实际测得的流量更加准确。实验中可以看出随着流量的增加, 各仪器的相对误差都有不同程度的降低, 这说明高流量情况下测得的数据相比低流量下测得的数据更加准确更加可信。
2.2 影响仪器稳定性因素分析
由于超声波也是声波, 声速与温度有关, 随着仪器在井下的深入, 超声波穿行的环境温度也在不断的升高, 这就会造成测量的差异, 下面就这一因素进行探讨。
任意取一支九方制造注入剖面五参数组合测井仪, 放入可控温度的水箱内, 分别设定温度为15℃、25℃、30℃、40℃、50℃。在这几个不同温度的静水环境下进行室内流量标定, 通过计数地稳定性对比温度对测量结果的影响。测量结果见表2, 我们可以看出:在各个温度下流量计的读数基本稳定, 说明此流量计性能良好。同时还观察到随着温度的升高, 流量计的读数呈降低趋势, 到40至50℃时, 读数基本稳定在2100~2200之间。考虑到注入剖面组合测井仪是用于注入井, 井内温度应该不会很高, 加之在室内测试时长时间的高温有可能对仪器内部电路或是传感器结构造成破坏, 因此没有再继续升高温度测试。
在实验过程中我们发现超声流量计存在一个固定的或宽或窄的稳定工作电流区间, 当供电电流稍微高于或低于此电流区间时, 尽管仪器其它短接仍然正常工作, 但超声流量短接的显示计数会出现很大的毫无规律的波动, 当电流重新恢复到此电流区间时, 流量短接又可以正常工作。对于每支仪器的超声流量计短接来说, 它们的稳定工作电流区间是各不相同的。只要在实际测井过程中多注意观察就可以确定各仪器超声流量短接的稳定工作电流, 这对现场操作具有一定的指导意义。
3 结论
3.1 通过对三种不同注入剖面五参数组合测井仪进行流量标定分析, 得出在相关性方面三种仪器相差无几, 但在稳定性方面九方制造仪器更具有优势更加稳定。
3.2 随着流量的增加各仪器的相对误差都有不同程度的降低。
3.3 同种仪器在六个不同温度静水条件下对比其流量计数, 结果显示随着温度的升高流量计数呈下降趋势, 到达一定温度计数趋于平缓稳定在一定数值范围内。
3.4 在实验过程中发现每支流量短节都有其各自的稳定工作电流区间, 超出此区间流量计数将会极度不稳定。
摘要：本文就大庆油田测试一大队注入剖面流量测量中常用的超声波流量计, 从超声波的影响因素和仪器使用过程中操作的不当对超声流量计的测量精度做一简单的探讨。
关键词：注入剖面,超声流量计,精度分析
参考文献
[1]周旭.现代传感器技术[M].北京:国防工业出版社, 2007.
浅谈提高气体流量计量精度的方法 篇2
天然气流量计量误差产生的原因
天然气流量计量误差产生的原因很多, 其中包括可确定的误差原因和不可预测的误差原因。
1 可确定的误差原因
(1) 最大的允许误差
任何一种计量器具出厂时都有其最大的允许误差。目前天然气的计量器具主要为涡轮流量计、孔板流量计、旋进旋涡流量计和超声波流量计, 它们的最大允许误差都有所不同。
(2) 仪表本身的系数
仪表的精度是由本身的系数决定的, 一旦仪表系数选定了一个适合生产环境的最佳值, 仪表的精度也就确定了。因此系数的变化就会直接影响仪表本身的精度。
(3) 介质的影响
通常气表检定是离线检定, 所用的介质是空气, 它是由空气压缩机提供的, 虽然空气压缩机可以提供瞬时变化的气流, 但是由于空气与天然气本身密度及膨胀系数的不同, 对气表的压力探头造成的压力效果也不同, 如旋进旋涡流量计等, 因此会造成一些误差;也由于离线检定中空气压缩机提供的可变压力、可变流量气流不如现场气流变化的随机性强, 也会使检定后的气表在现场应用中精度降低。
(4) 参比条件的影响
在天然气流量测量中, 与温度、压力以及湿度 (饱和状态下) 有关的“标准参比条件”的多样性会造成很大的混淆。由于行业或习惯的关系, 贸易双方往往规定不同的标准参比条件, 这是应该特别引起注意的。在其他条件不变的条件下, 如果标准条件分别为101.3k Pa, 15℃和101.3k Pa, 20℃将造成约3%的误差。
(5) 压力的影响
值现场输气管线中的气体压力是脉动压力, 测量脉动压力时, 正常来气宜为气表量程的1/3~1/2, 因此, 在天然气计量过程中, 需要调整来气阀门开关度大小, 使之满足这一条件。但在通常情况下, 气表压力范围达不到最佳值。
(6) 管道压力、温度等补偿参数的影响
天然气是一种大压缩比气体, 相同流速下, 不同温、压下天然气换算到标准状态的流量是不同的。如果不用温度、压力作为补偿, 引起的计量系统误差是比较大的。因此在天然气计量时, 应按规范要求, 作必要的温、压补偿。特别是用于贸易交接的气计量仪表, 更应注重温、压补偿及压缩因子的修正。经实际测算如果管道压力从20k Pa变到25k Pa, 其他条件不变时, 计量误差为4%;管道温度从20℃变到30℃时, 其他条件不变, 计量误差为-3%。
(7) 天然气组分的影响
天然气是一种混合气体, 它含有甲烷, 乙烷, 丙烷等烃类组分和氮、二氧化碳等非烃类组分, 其组分含量并不相同, 不同国家的天然气组分含量也可能有所不同。即使是在同一地区同一气田的天然气组成的也有差异。因此当选用的计量方式与天然气组分有关时, 如孔板流量计, 若未对计量系统进行实时的在线修正, 则势必造成很大的计量误差。
2 不可预测的误差原因
(1) 用户用气结构变化
用户出于长远考虑, 往往申购气量大于实际用量, 造成“大表小流量”的现象发生, 从而造成计量误差。
(2) 介质中的杂质腐蚀等产生的附加误差
天然气从地层中开采出来, 虽经分离, 除尘和过滤, 因其所含成份十分复杂, 从单井计量, 集气计量到配气计量, 气体组分各不相同, 所以在使用中所受到的腐蚀亦各不同。特别对节流装置, 如对孔板直角人口边缘和测量管内壁的冲刷、腐蚀尤为严重, 这将影响孔板直角入口边缘弧半径rk和测量管内壁的相对粗糙k/d的规定标准, 流出系数c将发生变化, 因而可能导致其值超出《用标准孔板流量计测量天然气流量SY/T 6143-2004》所给出的不确定度范围, 同时因上游测量管沉积脏物, 孔板入口直角边缘变钝、破损, 雷诺数不符合标准规定范围, 管道粗糙度影响等原因, 导致计量误差增大。
(3) 设计安装现场与标准规范的要求不相符
按照标准规范进行安装是保证测量高质量的基础, 但在安装过程中偏离标准的现象却是很常见的。以孔板流量计为例, 标准规定节流装置上游直管段内径D必须实测, 其偏差不大于0.3%, 但设计中常常采用公称通径作为内径值;现场安装过程中直管段不足的现象时有发生。总之现场偏离标准并不是个别现象。
(4) 计量管理不到位
任何一种流量计量方式的长期准确运行都离不开计量人员的正确维护, 如果维护不当, 也将造成一定的计量误差。这种人为因素引起的计量误差不仅是不可预测的, 也是不容忽视的。
提高计量精度的措施
1 严格执行标准规范
根据误差产生的原因, 在仪表、设备的选择、设计、安装、使用及计算方面, 必须严格执行标准规范, 使计量装置符合工艺技术要求。严格杜绝计量仪表长期运行在下限流量的现象发生。
2 保证仪表的运行温度
气表工作环境受温度条件限制, 如旋进旋涡流量计的温度条件是在-20~55℃范围, 只有在这个范围内才能保障正常工作。一旦环境温度不适合, 尤其是冬季, 在没有保温措施的情况下, 气表在环境温度过低情况下工作, 影响计量准确性, 还会对气表内部器件造成损坏。而且, 当气管线中天然气温度低于-20℃, 就超过了温度下限, 影响了气表的准确计量。通常冬季采取在气表管线旁边增设一根冬季采暖管线措施, 并与其管线包在同一保温层内, 此项工程造价不高, 施工方便。
3 直管段内径与气表内径相一致
在部分中转站发现, 有些气表入口直管段过细直管段内径小于气表腔体内径, 这种安装方法本身不符合气表安装要求。另外, 在这种状况下, 当中转站产气过多时, 气阀门即使满开度, 天然气仍不能及时从细管段排走, 造成气表入口管线内压力逐步增加, 罐内压力达到安全值时, 为了避免罐内憋压只好再打开旁通管线, 旁通没有计量设备, 造成中转站产气量计量值比实际值要偏低, 也使各中转站外输气总计量值与总外输值不一致。
4 正确选择气表位置
现场中经常能够从放空阀中放出大量水油混合物, 因此可知天然气中含有大量的水和油的蒸汽而且湿气在管线输送过程中压力损失要大于干气气表计量标况下, 气流量是根据压力、体积、温度之间的气态方程经换算得到标况体积的。各小队进行分队计量时, 由于输送过程中蒸汽损失很多, 使得蒸汽压力损失过大, 这就导致了各中转站外输总和与总外输值相差很大。此外, 气表中的探头被水油蒸汽所包围, 严重影响了气表的正常工作环境, 导致气表精度下降, 经观察校验回来的气表精度能达到1.0, 使用一年精度降到4.0级, 这种现象就是由于外界环境和工艺流程过程中的某些缺陷造成的。针对这些情况, 把流程中的气表位置适当提高一些让旁通管线在气表下方, 且低于来气管线, 以防止蒸汽形成液体时直接流入气表影响计量;旁通定期进行放空, 排出管道里的存留液体。
5 返输干气自耗气计量
在自耗干气方面, 总站配有返输干气自动调节阀, 各中转站配有气动调节阀, 通过观察发现, 投产使用后各站气动调节阀效果不理想, 影响了返输干气正常气计量。主要原因是由于输送给总站的干气气压发生波动时, 该站电动调节阀也进行了相应的调节, 使各站气压互相干扰, 影响了正常供气量;有时气压过低, 就要关闭调节阀走旁通管线, 这样才能正常供气, 这就使有的站干气计量不准确。建议暂时停用调节阀, 使干气在各站直接走气表。
6 依靠科技的力量
依靠科技, 提高计量维护人员的技术水平, 确保计量数据的准确性。应该指出, 标准规定的工作条件一般只有实验室才能满足, 要获得准确可靠的测量, 就需要技术人员深厚的技术储备来JUKH, 这种雄厚的软实力是现场应用的必备条件。由于电子技术、计算机以及互联网技术的迅速, 天然气计量已逐步向在线、实时、智能靠近, 同时依靠网络技术实现远程化通讯、监控和管理, 技术人员及时发现问题解决问题是降低误差的有力保障。
7 实现在线实流检定
从计量学的角度来看, 在线实流检定最符合流量量值的动态溯源特征, 更准确、更科学地评价天然气流量仪表的实际使用性能, 它充分考虑了物性参数、操作条件、安装条件、环境条件等诸多影响, 保证检定条件与实际使用条件的充分一致, 减少被检流量计的拆装搬运, 实施在线仲裁检定。天然气计量仪表在线实流检定的实施, 更能反映计量仪表的性能指标, 也真正能减小计量误差, 提高计量精度。
8 完善管理制度
管理制度的完善, 人员培训的加强, 人员技术素质的, 是减少误差产生的必要条件。此处的管理不单指计量器具的管理, 还包括数据管理、设备管理和用户的管理。
(1) 数据的管理。加强重点用户的数据监控, 确保数据统计的规范性, 故障时有一套相应的数据处理方案。
(2) 设备的管理。确保计量检定设备、计量设备有完善的台账, 在加强计量设备的日常维护的同时确保计量设备提供的数据准确性、可靠性和科学性是完全被认可的。
(3) 用户的管理。加强用户的管理, 及时了解用户的用气数据与计量系统的适应状况, 从而做出相应的调整。
9 用统一的计量参比条件
对具备补偿条件的用户的计量系统选用统一的计量参比条件, 并且实现对用户的计量仪表进行温度、压力等必要参数的在线补偿。总之, 天然气流量计量误差的成因是极其复杂的, 是不可能彻底消除的。但通过以上分析利用规范管理, 完善制度, 从根本上减少这些原因引起的误差, 误差则会维持在相对合理的范围内。
结论
流量精度 篇3
随着环保要求的不断提高,汽车尾气排放量和发动机能耗比等指标的控制越来越严格,这就对汽车空气流量计的流量检测精度提出了更高的要求,而新型汽车空气流量计的研制和产品精度的生产监控都依赖于高性能、低成本的汽车空气流量计精度检测设备。进口汽车空气流量计精度检测设备由于造价昂贵,维护保养成本高,国内企业难以接受。而国内对于汽车空气流量计精度检测设备的研究一直没有得到突破性的进展,主要原因是缺少高精度、高性能、能够较好地满足汽车空气流量计检测台设计要求的空气质量流量控制系统。目前,国内外对于空气质量流量控制系统的研究已经取得了一定成果,但还不是十分成熟,一些相关的进口产品价格昂贵,但综合性能却不是十分理想,难以与汽车空气流量计检测台相匹配。
本文在充分借鉴国内外相关研究成果的基础上,提出了一套适用于汽车空气流量计检测设备的基于风机驱动的质量流量控制系统的设计方案。该系统不仅可以输出高精度的空气质量流量,而且还具有输出流量大、范围无级可调、流量输出稳定、环境适应性强等优点。特别在制造成本上,该系统仅为同类设备的1/10,性价比较高[1]。对该系统在常温下输出空气质量流量精度和响应速度进行多次重复测试,取得了比较理想的测试效果。
1系统的构成和工作原理
基于风机驱动的汽车空气流量计检测台质量流量控制系统的总体结构如图1所示。系统主要由风机驱动控制模块、传感器检测反馈模块、流量控制模块和上位机监控软件等部分组成。
由于汽车空气流量计检测台采用负压气源模拟汽车发动机进气过程,因此本系统采用负压方式输出流量,这也有利于输出流量的稳定[2]。系统的基本工作原理是:上位机监控软件通过RS232总线向流量控制模块(下位机)发出流量设定指令。流量控制模块根据上位机的流量设定指令通过内部的自适应模糊流量控制算法得出离心风机的当前设定转速,并通过RS485总线控制变频器驱动离心风机按指定的转速运行,形成负压,从而在管道内产生稳定的流量。为了提高系统流量控制精度,本系统采用精度等级为1级的高精度热式气体质量流量计作为流量检测传感器,通过RS485总线将当前实际质量流量反馈到流量控制模块,形成质量流量的全闭环控制。由于采用数字方式控制变频器,可以实现离心风机转速从0到最高转速的连续调节,从而实现了大流量范围无级可调的功能。为了提高变频器对离心风机转速的控制精度,系统中增加了转速传感器(PG)来检测离心风机的当前转速,并反馈给变频器,形成转速的PI闭环控制。为了达到较高的质量流量控制精度,必须考虑当前环境温度、湿度和进风口压力等因素对流量控制精度的影响。系统通过传感器对环境温度、湿度和进风口压力进行实时检测,并反馈给流量控制模块,为流量控制算法中对这三个环境参数的补偿提供依据。流量控制模块同时将当前实际质量流量、环境参数和系统当前运行状态等信息通过RS232总线反馈给上位机,并由上位机监控软件进行进一步的数据处理、存储与显示。此外,为了提高输出流量的稳定性,系统中增设了缓冲管。为了方便系统与其他不同管道口径的设备对接,系统还在进气口处增加了口径转换接口。
2流量控制模块的软硬件设计
流量控制模块是本系统的核心模块,其工作原理框图如图2所示。
为了满足流量控制算法、数字滤波算法和总线通信信号处理等软件设计要求,提高系统的数据处理速度和控制精度,本系统采用DSP作为流量控制模块的核心微处理器[3]。上位机通过RS232总线将流量控制指令发送到流量控制模块,微处理器根据内部集成的自适应模糊流量控制算法得出离心风机转速控制量,并将其转换为相应的变频器控制指令,经RS485总线接口发送给变频器以驱动风机按要求的转速运行。热式气体质量流量计将当前检测流量同样经RS485总线反馈给流量控制模块。为了保证RS485总线正常稳定的通信,系统采用了国际标准的Modbus串行通信协议。此外,温度传感器、湿度传感器和压力传感器输出的不同类型的模拟信号经信号类型转换电路均转换为0～5 V的电压信号,并通过硬件滤波电路进行滤波后由AD采样芯片转换成数字信号传输给微处理器。在微处理器内,接收到的当前流量检测反馈信号和环境参数检测信号经过数字滤波处理后,为自适应模糊流量控制算法提供计算依据。同时,微处理器还将当前质量流量值、环境参数值和系统当前运行状态等信息通过RS232总线反馈给上位机。
3流量控制算法设计
基于风机驱动的气体质量流量控制系统存在流量传感器响应速度较慢、风机转速与气体流量存在非线性关系和环境参数对控制过程影响较大等不利因素,因此通常这类控制系统存在控制精度不高、响应时间较长、输出流量稳定性差和环境适应性不强等缺点。经过反复地研究和摸索,本系统最终采用自适应模糊控制算法[4],并配合相应的系统硬件优化设计,较好地解决了以上问题,并使该系统最终达到了汽车空气流量计检测台流量控制系统的技术要求。本系统采用的自适应模糊控制框图如图3所示。
在本系统的控制中,流量控制模块首先将上位机发出的流量设定值与热式气体质量流量计反馈的当前流量检测值作对比,得到当前流量偏差Δe。该偏差Δe经模糊量化后得到偏差模糊量E和偏差变化率模糊量EC输入到自适应模糊控制模型进行处理。自适应模糊控制模型的输出模糊量经解模糊得到离心风机转速控制量,并通过PI控制来保证离心风机准确稳定地按照转速控制量运行,从而得到高精度和高稳定性的输出流量。在保证系统的响应时间和控制稳态精度的同时,更有效地处理系统的非线性控制,本系统采用基于经验控制参考模型的模糊控制算法。同时,由于离心风机的转速对应的是体积流量,而系统要求输出的是质量流量,体积流量与质量流量之间的换算关系与当前环境参数有关,因此算法中引入了环境参数补偿自适应算法,利用该算法对经验控制参考模型参数进行在线修正,以补偿环境参数变化对实际输出的质量流量精度的影响。在该控制过程中,模糊控制环节较好地解决了被控系统的严重滞后和非线性问题,提高了系统的整体控制精度、响应速度和稳定性。自适应控制环节则较好地对环境参数的影响进行了补偿,从而提高了系统的控制精度和环境适应性[5]。离心风机转速的PI控制环节有效地提高了离心风机转速控制的精度和稳定性,使输出流量的稳定性得到了进一步提高。
4上位机监控软件设计
系统上位机监控软件主要负责为用户提供便捷友好的工作界面,实现用户各种操作功能,主要包括用户手动流量设定、按照预设流程自动控制流量、实时流量值监控和记录、系统故障状态报警等功能。上位机监控软件程序流程图如图4所示。
系统刚启动时首先初始化参数,并向流量控制模块发送就绪指令。随后判断当前启动的的工作模式,如果是手动模式,则将用户当前设定流量作为流量控制指令发送给流量控制模块;如果是自动模式,则将预设流程中的预设流量作为流量控制指令发送给流量控制模块。此时,流量控制模块将向上位机反馈当前实际流量、离心风机转速、环境参数和各模块的运行状态等信息。监控软件根据这些反馈信息刷新界面上显示的当前状态数据、流量变化曲线并保存记录当前各种参数。如果发现系统中某个模块运行状态不正常,则进行相应的报警,并关闭离心风机,中断任务。如果系统正常,则继续判断当前流量是否已到达设定流量,如果没有达到,则返回重新发送原来的流量设定指令,如果已经达到设定流量,则任务结束。如果是自动模式,则循环执行上述步骤,直到预设流程中的所有预设流量逐一完成为止。
5系统试验测试
为了检验系统的流量控制精度,采用精度等级为0.5级的热式气体质量流量计对本系统的流量控制精度进行标定。标定方案为:对本系统在50～950 kg/h的流量范围内,每隔100 kg/h取1个测试点,共测试10个点,每个测试点上进行10次重复标定测试。标定结果如表1所示。
表1中实际输出流量平均值F、输出流量平均值误差E和输出流量波动幅度均方差D的计算公式为:
undefined (1)
undefined (2)
undefined (3)
式中,fi为重复测试同一测试点时每次测量的流量;n为重复测量的次数;S为设定流量。输出流量平均值误差E反映了系统输出流量的控制精度,输出流量波动幅度均方差D则反映了系统输出流量的重复控制精度和稳定性。由此可以看到,系统最大输出流量平均值误差Emax=1.03 %,而最大输出流量波动幅度均方差Dmax=0.58 %。汽车空气流量计检测台的流量控制精度要求为设定值的3 %,因此系统的控制精度完全能够满足要求。从试验数据还可以看到,在整个测试过程中,均方差均能稳定在0.6 %以内的水平,表明系统的重复控制精度较高,输出流量稳定性较好。
为了检验系统流量控制的阶跃响应速度,设定流量在0～800 kg/h的范围内,每100 kg/h阶跃变化一次,设定流量指令发送时开始计时,输出流量稳定在设定流量附近时记录本次阶跃控制的响应时间,最终得到的试验结果如图5所示。
由图5可以看出,系统在阶跃设定流量为100 kg/h时,响应时间最长,约为13.5 s。随着控制流量的增大,系统的响应时间逐渐缩短,在600 kg/h阶跃设定流量时系统的响应时间最短,仅为6.7 s左右。随着控制流量的继续增大,系统的响应时间则有所延长,在800 kg/h阶跃设定流量时,系统的响应时间为8.3 s左右。系统流量控制的动态响应速度主要由热式气体质量流量计的反馈滞后时间和系统控制流量的超调量来决定。在低流量段时热式气体质量流量计的反馈滞后时间较长,虽然流量控制超调量较小,但是系统进入稳态的速度还是较慢,所以导致系统在低流量段的响应时间较长。随着流量的增加,热式气体质量流量计的检测滞后时间逐渐减小,同时流量控制超调量也逐渐增加,但此时超调量的适当增加则有效地提高了系统进入稳态的速度,所以使系统的响应时间也随之减小,并在600 kg/h阶跃设定流量附近达到最小值。但是,随着流量的继续增加,虽然热式气体质量流量计的反馈滞后时间继续减小,但是超调量的不断增大使系统控制流量出现较大幅度的波动,反而造成系统进入稳态的时间增加,所以出现了600 kg/h阶跃设定流量之后,系统的响应时间又逐渐延长的现象。
6结论
(1) 采用精度等级为0.5级的热式气体质量流量计对本系统的流量控制精度进行标定,标定结果显示:系统实际输出流量值相对于设定值的最大误差为1.03 %,完全满足汽车空气流量计检测台的流量控制精度要求。
(2) 在整个测试过程中,输出流量波动幅度均方差均能稳定在0.6 %以内,表明系统的重复控制精度较高,输出流量稳定性较好。
(3) 对系统流量控制的动态响应速度进行测试,结果显示:系统每100 kg/h的阶跃响应时间最长约为13.5 s,最短仅为6.7 s左右,表明系统响应速度是可以接受的。
(4) 系统检测精度满足检测要求,工作稳定可靠,检测效率高,操作界面友好,功能齐全。
参考文献
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流量精度 篇4
关键词：智能变送器,ARM 嵌入式系统,信号采集
流量变送在工业、家庭、能源及环保等许多部门有着广泛的用途,它是各种流量仪表和控制器的核心部分,在工业现场总线中也起着重要作用。流量变送经历了由模拟电路、数字电路到单片机实现的发展阶段,由功能简单向智能化方向迈进。近年来蓬勃发展的嵌入式系统日益受到人们的关注,已在许多领域得到广泛应用。嵌入式系统的特点很适合用于流量变送器的设计,可以使流量变送器朝着多功能、高精度和智能化方向进一步发展。
嵌入式系统是一种软硬件可扩充或裁减的专用计算机系统,以面向应用为主,是将计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。相对于传统的8/16位单片机,嵌入式系统具有速度高、容量大、扩充性能良好、实时性强、并可执行多任务操作系统的特点,因此很适合流量数据的采集和变送,尤其适用于对功能、可靠性、成本、体积或功耗要求严格的应用场合。ARM嵌入式系统是一种新兴的嵌入式系统,占据高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域的领先地位,本文提出了基于ARM嵌入式系统的频率流量数据的采集和实时变送方案,阐述了软、硬件实现方法,该方案成本低廉并已获得很好的效果。
1 ARM嵌入式系统简介
嵌入式系统的核心是微处理器。ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构,其主要优势在于简单的设计和高效的指令集。ARM处理器在汽车、消费、工业控制、网络和无线应用等领域得到广泛应用。ARM处理器高性能、低功耗、体积小的特点适合用于智能流量变送器的设计。
在ARM公司的系列产品中,ARM7系列是面向中低端市场的低功耗32位内核。ARM7系列有多种产品,其中ARM7TDMI适合应用于实时环境。ARM7TDMI同时拥有16位压缩指令集Thumb;支持在片调试;能产生全64位结果的增强型乘法器;嵌入式ICE硬件提供在片断点和调试点支持,这些都为产品的开发提供了很好的环境。流量变送器选择的处理器是S3C44B0X芯片,它的片上资源非常丰富,包括:
(1) 2.5V供电的ARM7TDMI CPU内核带8KB Cache;
(2)外部存储控制器和LCD控制器;
(3) 2通道DMA和8通道10bit ADC输入;
(4) 2通道UART(支持16B FIFO);
(5) 1通道SIO接口和I2C控制器;
(6) 5通道PWM调制输出;
(7)看门狗定时器和带PLL的片内时钟发生器;
(8) 8通道外部中断输入和71个通用I/O端口;
(9)带日历功能的实时时钟(RTC)。
S3C44B0X芯片的上述功能充分满足流量变送的各种要求。以S3C44B0X处理器为核心,基于ARM嵌入式系统的频率流量变送器的系统结构框图如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 信号采集电路设计
频率流量信号来自流量信号转换器,它将流量信号转换为0～10kHz的频率信号。用频率对流量信号传送可以基本不损失精度,这是它的优点。流量转换器输出的频率流量信号通常是正弦波、三角波、矩形脉冲三种波形,幅度为低电平(0～2V)、高电平(3～24V)。对频率信号进行采集的电路如图2所示。该电路起采样、滤波和整形作用。图中LM311构成低通滤波器;4N25光电隔离器将输入信号隔离,对主电路起保护作用;LM393为比较器,形成标准的0～10kHz方波,作为外部中断信号送入S3C44B0X执行中断计数。该电路可以消除10kHz以上的干扰信号,使在0～1OkHz范围内的有用频率信号进入系统,从而保证了采样精度。
2.2 高精度D/A转换电路设计
变送器需要输出的是0～5V、0～10mA或4～20mA的标准信号,用AD420 D/A转换芯片可以实现上述3种信号的输出。AD420是串行输入16位D/A转换芯片,具有0～5V、0～20mA、4～20mA和0～24mA的转换能力,可以满足工业系统大多数信号变送的要求。AD420变送范围的选择由RS1和RS2管脚确定,其真值表如表1所示。
AD420的数字信号输入端是串行输入,有两种工作方式:三线接口和异步接口方式,并分别对应两种工作时序。设计中AD420采用三线接口方式,其时序如图3所示。
ARM嵌入式系统不具备上述时序,需要通过程序实现。AD420和ARM处理器的连接如图4所示,所使用的S3C44B0处理器的端口为TOUT1～TOUT4和EXINT1～EXINT2,AI+和AI-为变送器信号输出端。由于变送器需要和外部器件连接,为了对系统进行保护,AD420和S3C44Bo处理器的连接采用了双路高速光电隔离器HCPL-063L。HCPL-063L是Agilent公司新推出的产品,采用3.3V供电,具有15MBd的速度,适合对ARM处理器的信号进行隔离。
3 软件设计
频率流量信号的采集及变送流程图如图5所示。在用户程序运行之前首先要运行初始化程序。初始化程序是对系统硬件进行初始化配置,类似计算机系统中的BIOS设置。 初始化程序的内容有看门狗、时钟控制寄存器、中断、存储控制寄存器和堆栈等初始化设置。
在用户程序中,定时器中断用来设置采样时间间隔,采样中断则用于频率信号的计数,定时器设为500ms中断一次。ARM系统有很高的中断响应速度,因此可以实现0～ 10kHz的频率流量信号的采样中断。程序中数字滤波采用均值滤波方式。瞬时流量的计算公式为:q=f·Ri/Kt式中,f为脉冲输入信号频率,Hz;Ri为瞬时流量单位时间换算系数;Kt为脉冲输出流量计流量系数。计算出的瞬时流量值由S3C44B0X的TOUT1通用I/O口通过程序转换成串行信号输入AD420,并由EXINT1和EXINT2选择输出范围,最终完成流量值的信号转换。
本文提出了基于ARM的智能流量变送器的设计方法,包括软件和硬件的实现。系统具有如下特点:(1)执行效率高,速度快,可选择多种变送范围;(2) 系统具有较强的保护功能;(3)精度高:变换精度为读数的±0.1%,运算精度优于0.000 1%o;(4)功耗很低。
参考文献
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[2] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社,2002．
[3] D3C44B0X ARM 开发板使用说明[Z].上海:复旦金海博科技有限公司,2002．