z流量演算器的特点与选用.docx

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z流量演算器的特点与选用

流量演算器----原理及应用

纪纲（上海宝科自动化仪表研究所，上海200940）

蔡武昌（上海光华仪表厂，上海200011）

一、概述

各类流量计测量得到的流量值均需在显示机构或显示装置中显示出来，这些显示机构往往与测量仪表合为一体，而显示装置则是与测量仪表相分离。

这种显示装置通常称为显示仪表。

随着流量测量技术的发展，流量显示仪表中逐渐充实了计算功能，以满足各种各样流量测量的需要，如积分运算，开平方运算，加减乘除运算等，在单元组合仪表中，将这些功能分离出来，由若干个计算单元去完成，应用这些计算单元，同显示仪表配合，可以实现许多复杂计算。

遗憾的是运算功能越强，所需的单元数量越多，系统误差越大，发生故障的概率也越高。

例如1978年出版的一本自控设计手册中，用了十六台仪表组成一个带温度、压力补偿的空气流量测量系统，这还不是最复杂的例子，如果系统功能再丰富一些，仪表台数还要增加。

自从微处理器进入仪表，流量测量技术发生了革命性的变化。

原来需要十几台仪表才能实现的计算功能，在可编程的流量计算显示仪中只是很小的一部分。

而流量显示更为简化，瞬时流量显示和累积流量显示仅仅意味着几个数码管。

在这种新的情况下，将此类仪表仍旧统称为流量显示仪表，似乎已经不够贴切，因此不少厂商和不少文献开始将它们称为流量计算机（FlowComputer）或流量演算器（FlowCalculater）[1]，其实它是一种以完成流量信息处理为主要任务的专用计算机，为了使它们不与普通的计算机相混淆，本讲座将这种带有微处理器或单片机的流量信号处理和显示的仪表称为流量演算器，而将流量积算仪以及流量显示仪表看作是流量演算器的早期形式。

二、分类

流量演算器可按下述原则分类。

1.按所处理的流量信号种类分

（1）模拟输入型常与差压式流量计、电磁流量计、模拟输出涡街流量变送器等配用。

如DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表中的比例积算器、开方积算器等。

模拟流量信号常见的有0~10mA、4~20mA和1~5V等。

（2）脉冲输入型该类仪表通常由专门生产涡轮流量计等脉冲输出型流量仪表的公司生产，与自己的产品配套。

脉冲信号送入仪表后，经整形，除以流量系数和倍率，送电磁机械计数器，积算和显示累积流量。

整形后的脉冲信号，另一路送积分电路转换成模拟信号，即仪表瞬时流量，经放大后，用作模拟输出和面板显示。

基于这种原理的演算器，其累积流量精度可做得很高，误差仅为1个脉冲，但瞬时流量信号输出和显示，难以高于0.5级。

此类仪表引入计算机技术后，精度有了明显提高，瞬时流量显示精度一般可达0.1~0.3级。

（3）模拟脉冲兼容输入型以微处理器或单片机为基础的演算器，多数设计成这种类型，因为单片机具有强大的功能，设计成兼容型比设计成只会处理一种信号的仪表，其成本的增加微不足道。

该种仪表具有良好的通用性。

2.按接受流量信号的能力分类

（1）单路流量演算器只能接受并处理一路流量信号。

目前在生产和使用的演算器，绝大多数为这种类型。

（2）多路型能接受并处理二路或二路以上的流量信号。

选用此类演算器，成本可降低些，但操作、使用和维修不如单路型演算器方便。

3.按流体种类分

（1）液体流量演算器此类演算器常常与椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等配合使用，有的还引入流体温度补偿，还有的具有定量控制功能，在定量装桶、定量发料操作中广泛使用。

（2）气体流量演算器此类演算器一般均带流体温度、压力补偿，并在表内装有按理想气态定律进行补偿的数学模型。

（3）蒸汽流量演算器此类演算器型号很多，有些适用于过热蒸汽，带温度压力补偿，有些适用于饱和蒸汽，按压力进行补偿或按温度进行补偿。

从温度压力求取蒸汽密度的方法，有的用曲线拟合法，有的用查表法。

从原理来看，当然查表法更准确。

（4）固体流量演算器此类演算器专门与固体流量传感器配套，完成固体流量测量、积算和显示。

（5）通用流量演算器此类演算器一般均以微处理器为基础，功能较强，可与大多数流量变送器、传感器配合，实现多种流体的流量演算、积算和显示。

是流量演算器的发展方向。

4.按带补偿情况分类

（1）不带补偿型此类演算器一般只有一个信号输入通道。

（2）带补偿型此类演算器至少有两个信号输入通道。

用于补偿的输入信号常见的有流体温度、流体压力、流体密度等，在造纸厂，将纸浆浓度引入演算器，进行纸浆质量流量计量也有使用。

流量与这些自变量之间的关系，则取决于流体物性和流量测量的原理。

5.按可编程能力分类

（1）不可编程型所有模拟式流量演算器都属不可编程型，此类仪表往往利用改变电阻阻值的方法获得所需的积算速率。

有些以微处理器为基础的演算器，做成固定编程型，利用编码开关来设置流量系数和积算速率等。

在操作上要比模拟仪表方便一些。

（2）可编程型此类演算器一般以微处理器或单片机为基础。

编程的目的是多方面的，例如通道组态，功能选用，流量系数及测量范围的设置补偿公式的选用，各种系数、常数的设置等等。

6.按累积值显示方式分类

（1）机械计数器显示气动积算仪等使用这种方法。

（2）电磁机械计数器显示早期的电动积算仪，多使用这种方法。

机械计数器的局限性在于可观察距离短和末位齿轮容易磨损。

电磁机械计数器除此局限性之外，还存在噪声较大的问题。

其优点是简单。

（3）电子数码显示常用的有LED和LCD，电磁机械计数器显示的局限性，在电子数码显示中全不存在，但必须与数字电路匹配。

这在大规模集成电路已达到相当水平的今天，这也已经变等简单了。

7.按动力种类分类

（1）气动式以0.14MPa压缩空气为动力。

（2）电动式以24VDC或220VAC为动力。

8.按表体结构分类

（1）盘装式适合安装在仪表盘上，面板尺寸常有160160、80160、16080、8080、14472等。

（2）台式适合安放在操作台上，外型尺寸种类更多。

（3）墙挂式适合安装在墙壁上、仪表箱中等无仪表盘的场所。

三、原理

不同类型的流量演算器，其原理也不同。

下面以近十年来发展起来的可编程带补偿的通用流量演算器为例，简要介绍其硬件结构和软件结构。

1．硬件结构

图1所示的流量演算器由单片机、操作键、显示器、通讯接口和过程通道组成。

过程通道包括模拟流量信号输入通道，脉冲流量信号输入通道，压力信号输入通道，温度信号输入通道以及流量再发送信号输出通道。

为了节省配电器，模拟信号和脉冲信号输入通道都带外供直流稳压电源，这种电源一般均带短路保护，以免操作不慎将电源短路时，导致仪表损坏。

图1硬件结构框图

2.信息流程

图2所示的是一台典型的可编程流量演算器信息流程图。

图中示出了实现演算器主要功能的信息传送关系。

其中多处涉及到信号切换和选择，都是由软件实现的。

这一方法比用编码开关、选择开关等硬件实现方法来得节约，可靠性更高。

四、功能

1.基本功能

（1）瞬时流量指示功能，积算和累积流量显示功能

瞬时流量即单位时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体量。

流体量以质量表示时，称质量流量qm，流体量以体积表示时，称体积流量qv。

在仪表中常用指针、棒图、数字等指示。

其中，指针指示容易引入读数误差，棒图指示，分辨率往往不太高，而数字指示，既无读数误差，分辨率又可做得很高。

累积流量则是瞬时流量对时间的积分，它表示在一段时间内流过横截（断）面的流体总量。

在仪表中常用数字指示。

积算是获得累积流量的过程。

在电动模拟式仪表中，常用一个与输入信号对应的恒定电流对一个电容器充电的方法实现积分运算，并与间歇振荡器配合完成V/I转换。

由于积分电路的非线性和组成积分电路的阻容元件数值受环境温度影响等因素，使积算精度只能达到0.5级。

而可编程流量演算器，由于积分运算是数字量运算，制约积算精度的主要因素是晶体振荡器，其实际振荡频率同其标称值之间的误差一般不大于10-5的数倍，积算误差可降到十万分之几。

（2）开平方运算功能

开平方运算是与量大面广的差压式流量计配用所必需的。

在机械式仪表中，用曲线板开平方；在气动仪表中，用波纹管与杠杆的组合完成开平放运算；在电动单元组合仪表中，常用在负反馈回路中串入两个乘法器的方法实现开平方运算。

这几个方法都要损失大约0.5%的精度。

而在可编程流量演算器中，开平方是数字量运算，一般采用多倍字长的浮点运算，可以认为是0级运算。

（3）积算速率设置功能

演算器设计积算速率设置功能是为了获得满意的积算速率。

如果速率太高，则累积流量显示器（计数器）很快被积满复0，而若速率太低，读得的累积流量值太粗，都为使用带来不便。

在可编程流量演算器中，可通过面板按键的操作并与窗口显示相配合，设置满量程积算速率，便捷且准确。

积算速率一般引入10的n次幂的倍率概念，在一个区域内测量同一种流体的各台流量表，往往取相同的倍率，例如全厂蒸汽流量计取n=-1，则倍率为0.1吨，抄表员在抄得累积流量的读数后，乘以0.1吨，即为累积流量，这样，不会因各台表倍率各异带来麻烦和差错。

2．演算功能

（1）流体工况补偿功能

绝大多数流量计，只有在流体工况与设计条件一致的情况下，才能保证测量精度。

有些流体如气体、蒸汽，流体工况变化对测量精度的影响特别大，必须进行补偿。

由于流量计类型的不同和流体种类的差异，可选用不同的工况参数和不同的补偿公式。

下面以目前的主要流量计类型和主要的几种流体叙述补偿公式和实现方法。

蒸汽质量流量测量采用下式补偿

a.差压式流量计

（1）

式中：

k工况补偿系数

f使用状态流体密度

d设计状态流体密度

b.模拟输出涡街流量计

k=f/d

（2）

c.脉冲输出涡街流量计

k=f（3）

式（3）与式

（1）

（2）有很大差别的原因是根据涡街流量计送出的脉冲频率和该台仪表的流量系数计算出来的是体积流量。

同一个体积流量如果流体密度不同，所代表的蒸汽质量流量也不同。

从蒸汽的压力和温度求取蒸汽密度，在可编程流量演算器中，一般采用查表法。

即

f=f（Pf,tf）（4）

d=f（Pd,td）（5）

式中：

Pf、Pd使用状态和设计状态蒸汽压力；

tf、td使用状态和设计状态蒸汽温度

国际蒸汽密度表共有三幅，即过热蒸汽密度表，以压力为自变量的饱和蒸汽密度表和以温度为自变量的饱和蒸汽密度表。

因为饱和蒸汽的压力和温度是一一对应的，只需知道两个参数中的一个，就可查表得到其密度。

一般气体流量采用下式对流体压力、温度进行补偿

a.差压式流量计

（6）

式中：

zf、zd使用状态、设计状态的流体压缩系数

b.模拟输出涡街流量计

（7）

c.脉冲输出涡街流量计

（8）

式中：

zf使用状态流体压缩系数；

pn、tn、zn标准状态流体压力、流体温度、流体压缩系数

经式（8）补偿的流量为标准状态体积流量.式（8）中的pn一般取101.325kPa（绝对值），tn可以根据对标准状态的约定取20℃、0℃，煤气行业常取tn=15℃。

式（8）中的Zf，可以由Pf、tf，根据流体名称查理化手册得到，也可由仪表自动计算得到。

一旦指定仪表自动计算Zf，必须在演算器菜单中填入被测流体的临界压力和临界温度。

一般气体干部分流量采用下式对流体工况进行补偿

a.差压式流量计

（9）

式中：

f、d使用状态、设计状态湿气体相对湿度；

Pfsmax使用状态（pf、tf）水蒸气饱和

分压；

Pdsmax设计状态（Pd、td）水蒸气饱和分压

（10）

（11）

式中：

f使用状态（Pf、tf、zf、f）湿气体的密度；

d设计状态