工科硕士预答辩

2010级研究生答辩报告燃气流量计现场检定装置的研制目录装置研制的背景和意义一

超声波流量计测量原理二检定装置的整体设计

三

软件和硬件设计四

装置试验数据处理五结论和展望六六一装置研究的背景和意义返回目录1.课题研究的背景和意义

随着燃气使用的不断推广，气体流量计的使用也越来越多。为了保证气体流量计的正常工作，需要对流量计进行定期校准，通常将气体流量计拆卸下来送到检定机构进行校准，需要3~10天时间，而工业上往往要求燃气能够连续供应，将气体流量计拆卸下来送到检定机构进行校准，不仅耽误正常供气，还会因为计量误差而产生纠纷，所以急需研制一套能够适应我国现状的流量计现场检定装置。对计量机构来说，可以将某个地区的流量计检定周期统一起来，集中进行检定，防止漏检、重检，节省人力和时间。2.研究现状（1）国际现状。加拿大输气校验公司研制出天然气校验装置，精度可达1.5%；美国的康乐创、德国的E+H公司和荷兰的公司也相继开发出利用超声波对气体流量计进行现场校准。（2）国内现状。我国在国家原油大流量计量站和大庆油田建立了移动标准音速喷嘴装置，可用来在线检定气体超声流量计、文丘里流量计和标准孔板流量计等，由于该装置运行成本高，检定费用高昂，所以目前主要用于在线检定大口径流量计。3.本装置研究的必要性和预期目标：

虽然气体流量计在线检定在我国一些大型管道上已经实现，但是对于小型企业来说，管道内部压力较低（低于0.7MPa），现有的装置不能满足低压环境下测量的要求。本课题预计完成的技术指标：测量的介质范围：天然气、空气流速范围：（0.5~30）m/s使用压力下限：0.6MPa扩展不确定度要求现场条件下：1.0%k=2(带有标准直管段时)，实验室条件：0.5%k=2二超声波流量计的测量原理精确度高，但代价高方法简单，设备价格便宜，但准确度低固体颗粒、悬浮物

流速低时，降低灵敏度时差法超声波流量计工作原理ABθLvD超声波流量计测量原理示意图

超声波顺流传播时间：

超声波逆流传播时间：

则超声波沿管道顺流和逆流的传播时间差为：

由于c>>v,得到

D为管道内径；L为超声波传播距离；θ为换能器与超声波波束夹角；V为管道中介质横向速度；三现场检定装置的整体设计现场检定装置原理图双声道超声波换能器安装专用座标准管段信息采集器电脑终端被检流量计管网超声波流量计输出1.标准流量计的安装步骤：收集现场数据选择合适的变送器和换能器安装位置对安装换能器管道表面处理进入安装菜单收集现场数据建立现场输入管道参数输入管道介质参数调用换能器安装程序将换能器与变送器连接对安装的换能器进行自检，调节信号Z型安装方式V型安装方式X型安装方式

2.

换能器安装方式选择及示意图

换能器在管道上的安装方式根据换能器之间的相对位置和夹角的不同可以分为直射式（Z型）、反射式（V型）和X型安装方式。换能器安装方式的一般原则：对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。另外，Z法安装适合管道内部信号衰减较大情况下对流量的测量。3.影响超声波测量精度的因素及解决方法

a、换能器安装位置：（1）安装点上游直管段要选择大于10D，下游大于5D

（D为管道内径）；（2）上游距气体源的距离应至少有30D；（3）不要将换能器安装在焊缝处等。b、直管段长度:（1）不需安装整流器时，多声道超声波流量计上游的最短直管段长度应10D，下游最短直管段长度应为5D；（2）如果使用整流器，则整流器的安装位置及相应的配管长度应根据生厂商提供的安装要求。c、管道材质及参数：当管道内压力较低时，使用金属管道容易产生对超声波信号干扰的噪声，导致换能器不能很好的发送和接收到超声波信号，通过实验，选择PVC管作为实验管道。d、管道耦合剂除了专用的耦合剂外，黄油、孔板密封脂、国产超声波测厚仪耦合剂也都可以作为实验所用耦合剂，但通过对比实验结果发现，只有黄油代替专用耦合剂时，几乎不影响测量结果。四

检定装置的软件和硬件设计1.硬件设计实验装置硬件原理图EPM1270144TC5NCPLDUSB控制芯片AD7321转换模块计算机显示系统超声波流量计模拟量输出第一部分主要是超声波信号处理部分；第二部分主要是信号转换部分；第三部分是人机接口电路超声波流量计输出为4~20mA模拟电流信号，该信号与流量信号呈线性关系。将电流信号经过放大后输出电压信号为±10、±5V、

±2.5V和0~10V，与流量同样呈线性比例关系。根据通过USB接口输入到电脑上的电压信号就可以换算成流量信号。控制AD转换的时间和采样频率就能够设置检定的点数和时间间隔。

由于CPLD芯片编程灵活、集成度高、设计成本低等优点，被广泛应用于电子电路中。本课题利用Altera公司的EPM1270T144芯片，与传统的CPLD相比，可提供更多的逻辑资源和IO口，同时又有更低的功耗。该芯片包含116个用户可用IO，可以连接外复位电路、MCU接口电路等，实现复杂的可编程逻辑控制功能。核心芯片CPLD特点3~5伏电压转换器复位电路电源电路

超声波流量计输出的模拟信号通过放大电路来对其进行放大，本装置中的信号转换需要较高的精度且能够满足实时检定要求，信号放大芯片选择的是ADI公司的8251。放大器芯片AD8251AD转换芯片及特点:装置中的A/D转换利用了AD7321转换器，AD7321是一款双通道、12位带符号位的逐次逼近型ADC。该ADC配有一个高速串行接口，最高吞吐量可500ksps。（1）AD7321的转换精度：12位有效位，第13位为符号位（2）采样速率为：500KHz（2微秒/点）（3）测量精度：0.1%（4）

AD7321可输入真双极性模拟信号，±10、±5V、±2.5V信号。流量测量模块设置检定点数N定时中断打开关闭中断采集够N点否？计算流量、误差结束，返回初始化结束？YNYN启动电源对采集模块数据初始化启动A/D转换YNA/D转换结束？指向下一个缓冲区是否采集够点数延时，继续下一个计算结果YN延时2.软件设计1、超声波流量计计量特点（1）宽束（Wide-BeamTM）技术。它使信号在管道中传输时不会失真使声发射面的有效长度大于实际换能器的尺寸，在检定过程中能够更方便的采集到信号，同时还可以减小高速流体造成的声束偏移的影响。（2）自动调零。超声波流量计能够通过计算上下游信号时间差，计算出超声波信号的零漂大小，自动连续的消除零漂，实现自动校零。五现场实验数据处理任何一个检定装置能否作为标准装置对其它设备进行检定，都需要更高一级的标准对其进行判断。因此，在进行现场实验之前，首先将超声波流量计作为被检装置，把实验室音速喷嘴装置作为标准装置对其进行检定，满足检定规程所给出的误差要求时，才能作为标准装置进行现场检定。以下分别为实验室检定结果和处理过程：2、实验误差和不确定度处理

a实验室测量数据处理

每完成一次检定时仪表系数计算公式：

每个流量点的k系数为：

Kij——第i个点第j次检定所得系数k,1／m3；Nij——第i个点第j次检定所得被检表脉冲数；qVij——第i个点第j次检定的体积流量，m3/h;Δtij——第i个点第j次检定的时间，s检定前输入仪表检定系数为km，则流量计的相对示值误差EL为：

流量点平均脉冲30m314748.5260m329716.6120m359633.69240m3118868.3600m3291467.3流量计的基本误差E：

流量计的重复性：

平均系数重复性11752.120.34%11874.440.05%11919.90.12%11932.450.35%11982.450.14%记录时间外夹流量计瞬时量（m3）记录时间外夹流量计瞬时量（m3）

12:02:302.1212:04:102.0712:02:402.1812:04:202.1912:02:502.1512:04:302.1112:03:002.0712:04:402.0612:03:102.0812:04:502.1312:03:202.0812:05:002.2112:03:302.1312:05:102.1012:03:402.1212:05:202.1112:03:502.0612:05:302.0912:04:002.11记录时间外夹流量计瞬时量（m3）记录时间外夹流量计瞬时量（m3）

16:05:302.0916:07:102.0916:05:402.1116:07:202.0716:05:502.1016:07:302.0916:06:002.0816:07:402.1316:06:102.1216:07:502.1016:06:202.0816:08:002.1216:06:302.0916:08:102.0916:06:402.0916:08:202.1116:06:502.1216:08:302.1216:07:002.10现场测量数据处理：两个时间段内分别记录流量计的瞬时流量时间被检表示值测定时间内累积量12:02:305120317.9212:02:30-12:05:305120687.26369.3416:05:305148326.6216:05:30-16:08:305148697.54370.92实验装置的不确定度计算：

如果将三个不确定度等分，且对于压力和温度变送器系数k=3，测量流量不确定度系数k=2。计算得到:

Urel(P)=Urel(T)=0.648%,Urel(Qsi)=0.432%。对于标准流量计来说，上述的不确定度很难实现。所以得到标准流量计的扩展不确定度为：

前两节所测实验数据最大误差（0.48%）均在该范围内，证明该装置可以作为标准检定装置对气体流量计进行校准。为了不影响测量精度并且使装置易于实现，可以将测量不确定度分成三个不等部分：则六

结论