[導讀] 按照智能化、精度高、通用性強、性價比高的技術要求，針對槽道流量計提出采用硬件電路和軟件優化算法相結合的方式對各檢測流體的壓力、溫度、密度、壓縮系數、黏性系數及可膨脹系數等參數進行相應補償，使其適用于常用流體的測量，且精度大幅提升，可達0.3%~0.5%左右，從而在復雜現場構建一個多參數高精度的可靠性流量檢測平臺。
0 引言
差壓式流量計是一類應用比較成熟的流量計，其中，節流式差壓流量計應用最廣泛，它適用于所有單相流體包括液、氣、蒸汽和部分混相流體如氣固、氣液、液固的測量。傳統的節流件多采用孔板或噴嘴，流動分離嚴重。而南京航空航天大學明曉教授發明的槽道流量計[1]采用紡錘體節流件，具有良好的低阻外形，可以很好地調整流動和保持流動穩定，而且完全避免了流動分離，使得測量重復性和準確度得到進一步提高，同時顯著減少了壓力損失。這就為復雜環境下構建高精度的可靠性流量檢測系統提供了一個新的選擇。同時，由于流體計量十分復雜，受到壓力、溫度、密度、壓縮系數、黏性系數及可膨脹系數等復雜因素的影響，其準確性、通用性等方面仍存在著一定的缺陷，因此，基于以上各種因素，在帶有紡錘體節流件的差壓式槽道流量計模型的基礎上，提出了采用軟硬件聯合補償的方式對其進行完全參數補償的研究方案。
1 軟硬件結合的完全參數補償方案
差壓式槽道流量計是利用伯努利能量守恒方程原理設計的，該流量計流量計量的數學模型可表示為
式中：Qm為質量流量；QVN為標況體積流量；K為量系數；ε為可膨脹系數；D為測量管內徑；Δp為差壓；ρn為被測流體的標況密度；ρ為被測流體的工況密度。
對于不同的流體，由于組分的不同或者組分比例的不同，其各參數也不相同，這就決定了要想提高槽道流量檢測系統的精度：一方面要從硬件上對各傳感器的信號予以補償以保證得到可靠、準確的數據；另一方面要對影響流量測量的其他可變因素進行有效的補償。另外，針對目前差壓流量計通用性差的缺陷，可對天然氣、高爐煤氣、過熱蒸汽、液化天然氣、液化石油氣、一般氣體、水、石油、一般液體分別進行相應的軟件補償，使其通用性明顯提高。
2 硬件補償
系統硬件部分采用工業生產中十分常見的AT89C52，輔以鍵盤、LCD構成便捷的人機交換接口，實現多界面、多參數的選擇與修改。模數轉換模塊采用低成本、低功耗、高精度的三通道16位Δ-Σ型AD7707轉換電路，由于實際工作現場中常用的檢測平臺主要是基于RS-485協議和4~20mA電流環信號，因此，通信模塊中分別采用了支持RS-485通信協議的MAX485電路和支持4~20mA電流傳輸的AD5422電路，從而使系統的用戶充分利用現有資源，節約成本。為了進一步提高可靠性，采用單獨的AC-DC模塊對系統供電。其具體的硬件結構框圖如圖1所示。
對槽道式流量計來說，從傳感器獲得的介質溫度、差壓、絕壓、環境溫度這幾個參數的準確性直接影響著流量計的精確度。而在現場中，這幾路信號一般都疊加了高頻信號并有一定的漂移，因此，提出首先通過硬件分別對各信號的采集進行相應補償，以提高可靠性和準確性。其中對介質溫度和差壓信號的補償尤為重要。
圖1 智能槽道流量計硬件結構框圖
2.1 介質溫度信號的采集與補償
介質溫度的采集采用工業中常用的Pt100，測量熱電阻的電路是不平衡電橋，熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導線也是橋臂電阻的一部分，這部分電阻是未知的且隨環境溫度而變化，由于熱電阻本身的電阻值很小，所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。一般而言，為了消除誤差，測量電阻的引線大都采用三線制接線方式。但三線制中，熱電阻始終接在電路中，流過電流的熱電阻會產生熱量，也會使電阻值發生變化，造成測量的誤差，這個誤差是不能消除的。因此，提出采用一種可以更好消除誤差的四線制方式。
四線制如圖2所示，接線時電流回路和電壓測量回路獨立分開，為了減小電阻本身發熱造成的誤差，采用了小電流恒流源，保證流經傳感器的電流恒定，經差分放大，使得
式中：K為放大倍數；R為傳感器零點值；A為常數；T為溫度值。從而使介質溫度的測量與引線電阻無關，實現十分精確的補償。
圖2 四線制原理圖
2.2 差壓信號的采集與補償
為了提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素（如電源電壓、環境溫度等）對測量結果的影響，差壓信號的測量采用差動式電容傳感器。差壓信號測量補償電路包括方波發生電路、整形電路和電容-電壓轉換電路，如圖3所示。
圖3 差壓測量補償電路
該差壓測量補償電路結構簡單，易于集成，完全可以放入法蘭內部，最大限度地縮短了電容引線，減少了對分布電容的影響，但激勵信號的周期、幅值對測量值有直接的影響，應保持穩定。
2.3 信號隔離電路
為了隔離現場干擾、抑制噪聲、提高采集信號的可靠性，在各信號的采集中加入了電路隔離模塊。一般傳統的信號隔離方法有2種：互感隔離的方式；先A/D轉換，再光耦隔離，最后D/A轉換的方式。兩者都有一定的缺陷，前者精度低、體積大，后者精度取決于模/數轉換器及其位數，并且電路復雜。鑒于以上隔離方式的缺陷，提出利用模擬電路原理，采用獨特的調制電路和解調電路來實現信號的隔離。具體隔離電路如圖4所示，電路中巧妙地利用開關三極管T1截止、飽和導通兩種工作狀態的交替，使兩個光耦4N36處于開、關的狀態，制造出振蕩現象，從而實現采集信號的調制與解調，達到高精度下信號隔離的目的。
圖4 信號隔離電路
3 軟件補償
軟件補償是實現高精度流量檢測的一個重要因素，采用縱向橫向相結合的方式對流量測量進行補償，橫向上按照不同流體介質的不同補償模型予以補償，縱向上針對影響流量測量精度的流體參數分別實施補償。在實際的補償過程中，縱向的補償又穿插在橫向補償的過程中，從而大大提高了流量計的測量精度和通用性。
3.1 密度補償
流量積算過程中，現場溫度和壓力是經常變化的，有時溫度、壓力偏離設計值很小，引起密度變化的范圍卻很大，由此造成的流量測量誤差可能超過允許的范圍，所以工業現場中要想測量準確的流量值，密度補償是一個重要的因素。由于流量測量的對象范圍很廣，有單組分的也有多組分的，這就決定了密度補償的方法也各不相同。
3.1.1 單組分流體的密度補償
對于單組分的流體，如過熱蒸汽、水、液氨等單純使用查表法時，由于要把實驗所需介質的溫度、壓力與密度列成表全部存入ROM中，占用空間太大，嚴重限制了工程應用。針對這一缺陷，提出采用查表法與插值法相結合的方法，在提高密度補償精度的同時，又大大地節省了存儲空間。
以過熱蒸汽為例。在文獻[4]中提供了大約1000個數據的密度表，考慮到MCU的處理能力、存儲容量和系統精度的要求，采用二元三點插值法進行密度的補償，溫度以20°C為間隔，壓力分別以0.03MPa、1.5MPa、4MPa等不等間隔對密度表進行存儲，由此定義了一個二維數組d[][]，行表示壓力值，列表示溫度值。如果測得的實際溫度和實際壓力恰好是此區間值，可立即查出相應的密度值；如果不是這些區間值，則要進行插值處理。從給定的m´n個結點中，選取最靠近插值點（T，P）的相鄰3´2個結點，x方向（壓力）應用不等距拉格朗日三點插值公式，y方向（溫度）應用等距拉格朗日三點插值公式，對列表函數進行插值。
（1）插值結點的選擇：給定m´n個結點（Xi，Yj）及對應函數值（Xi，Yj）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），計算插值點上的函數值f（X，Y）時，必須選擇包含插值點（X，Y）最近的6個結點，其數學模型如下：
X向結點選取如下：
Y向結點選取如下：
（2）三點插值模型如下：
不等距三點插值為
若插值區間[a，b]被等分為n-1個區間，結點數為n，則等距拉格朗日三點插值為
（6）
式中：
最后，通過查表和插值結合所得值即為現場實時壓力和溫度下介質所對應的密度，由此可見，對于單組分的流體介質，用以上方法可以很好地實現介質的密度補償。
3.1.2 多組分流體的密度補償
對于多組分的流體，如天然氣、高爐煤氣、石油、液化天然氣等，它們有組分比例恒定和組分比例變化2種情況，但其補償原理從根本上是一致的。其中，天然氣組分更為復雜，并且各油氣田出產的天然氣各組分的比例也各不相同。以組分復雜且各組分比例變化的天然氣為例，進行流體密度的補償。天然氣密度的補償，主要是受壓力、溫度、各組分比例以及壓縮系數的影響。其數學模型如下：
式中：ρ為工作狀態下天然氣密度；Ma為干空氣的分子量；Za為標況下干空氣的壓縮系數；Zn為標況下天然氣的壓縮系數；Gr為標況下天然氣的相對密度；R為通用氣體常數；p為工作壓力；為天然氣j組分的求和因子；XH為天然氣中氫氣含量的摩爾分數；Gii為天然氣的理想相對密度；Xj為天然氣j組分的摩爾分數；Gij為天然氣j組分的理想相對密度；n為天然氣組分總數；T為工作溫度；Z為工況下的氣體壓縮系數。
通常情況下，在其密度補償過程中首先要進行壓縮系數的補償。對于壓縮系數，在絕壓以8963MPa和1379MPa為分界點的條件下，其數學補償模型均為Z=（Mn，MC）的函數關系，其中MC，Mn分別為二氧化氮和氮氣的摩爾分數。因此在補償過程中可以通過計算法和公式法對其進行補償。對于天然氣各組分的相對密度Gij和求和因子可以通過查表法進行軟件補償。從而實現多組分流體的密度補償。
3.2 其他參數的補償
在流量計量的補償中，還有其他參數，如黏性系數、可膨脹系數的補償等，其中可膨脹系數ε是對流量系數在可壓縮性流體中密度變化的修正，對于不可壓縮流體，ε通常取1。對于給定的節流裝置，ε只取決于差壓、絕壓和等熵指數。等熵指數的補償可利用等距拉格朗日三點插值法和查表法結合的方式對其數學模型中的比熱容比進行相應補償，從而實現等熵指數和可膨脹系數的精確補償。
對于黏性系數的補償，文獻[4]提供了相應參數表，因此可以得出黏性系數的數學補償模型是關于參數X、Y的函數關系。即黏性系數μ=μ（X，Y），其中參數X、Y可以用數組的方式予以存儲，再通過查表法和計算法實現軟件上的補償。整個系統軟件補償的流程如圖5所示。
圖5 系統軟件補償的流程圖
4 實驗及結論
設計完成后進行了相關的測試實驗，實現了參數補償、環境參數檢測、瞬時流量及累積流量計算、LCD顯示、按鍵控制、數據存儲、遠程通訊與控制等功能，并針對水、天然氣等分別進行了相關實驗調試，其中，水在不同條件下的瞬時流量實驗數據如表1所示，實驗結果表明經過軟硬件聯合補償的槽道流量檢測系統精度有了明顯提高，一般可達0.3%~0.5%。但對于特殊介質仍然具有一定的誤差，需進一步提高。
參考文獻：
[1]明曉.紡錘體流量計：中國，200420093532.2004.
[2]米勒RW.流量測量工程手冊.孫延祚譯.北京：機械工業出版社，1990.
[3]鐘偉，明曉.紡錘體流量計的流場數值模擬.計量學報，2007，28（3）：262-265.
[4]孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手冊，北京：化學工業出版社，2005.