蒸汽的智能测量方法研究

摘要　在饱和蒸汽流量计量中,分流旋翼式流量计是重要的流量计。传统的旋翼式流量计为机械式,精确度低。本文采用先进的微控制器及优化的软硬件设计,设计出具有智能化检测与补偿技术、数字化显示等功能的旋翼式流量计,使用结果表明能够可靠地实现高精度计量。

关键词旋翼;流量计;智能

中图分类号　TIt814　献标识码A　文章编号1674―6708(2010)28―0102-01

分流旋翼式流量计是主要用来测量气体、蒸汽等累积流量的仪表。广泛应用于企业内部物料核算和管理。其中用于饱和蒸汽流量计量的流量计使用最广。其优点是安装操作极简便,流量范围宽广,在中小流量方面尚无合适替代流量计,在全部蒸汽流量计中其价格最低廉等。特别在饱和蒸汽两相流测量中,仪表实际反映的是气体部分的流量,适合于蒸汽的热量计量。

分流旋翼式流量计的基本原理是在主流管道中装置一块节流孔板,由于它的节流作用,在孔板前后将产生压力差,在节流件上、下游两侧开孔,接向另一分流管路,并在上游分流管人口安装喷嘴。在压力差的作用下,流经分流管路的流体经喷嘴冲击旋翼(翼轮)使其旋转,实践证明翼轮的转速与流经分流管的流量是成正比的。因为主流与分流之间的分流比在一定流量范围内是一个常数,测出分流量就可推知总流量。传统的旋翼式流量计的显示装置为机械式,压力补偿的调节靠手动进行,精确度较低。故研制一种具有智能化检测与补偿技术、数字化显示的高精度分流旋翼式流量计具有重要意义。

为了使所设计的流量计具有功能强、精度高、可靠性好,而且具有通用性,本文对设计提出了如下要求:能够测量蒸汽温度;实现密度补偿;可手动设置密度;多点仪表系数修正;输入信号频率范围为1Hz-2000Hz;显示瞬时、累计量、密度、温度值;存储累计量和仪表系数;4mA-20mA电流输出;24V脉冲信号输出。

蒸汽密度是关于温度或者压力的单变量函数,因此进行流量测量时只要采集到了温度数据或者压力数据就可以计算出密度值。但压力传感器的价格比温度传感器高出几十倍,故本设计采用温度来计算密度的方案。

根据设计要求,本文采用PIC18F452单片机作为智能处理单元。该单片机内置有本文用到的定时器、计数器、MD模块、EEPROM和PWM模块等资源,它们能够极大地简化电路设计。

根据流量计的设计要求,本文设计了如图l所示的硬件系统。图中包含2大部分,上部虚线框内为流量计一次表结构。内部主要由分流孔板,喷嘴,翼轮,温度传感器和转速传感器构成。温度传感器可采用PT100进行温度采集。

图1下部虚线框内为流量计二次表结构。为了使设计的流量计具有通用性,既可以用电池供电,又能够由24V/5V电源供电,故电路设计了2套电源,如图所示,因为设计要求具有4mA-20mA输出功能,这里采用AM402电压,电流转换集成电路,该电路具有输出5v电源的功能。为了在电池供电时能够长时间显示数据,这里采用通用型段式液晶显示模块LCM141作为显示器件。对于温度数据的采集放大电路中,对于PT100,采用恒流源供电,该部分电路消耗能量较大,为降低功耗,该部分电路不采用电池直接供电,而是由单片机的任一gO端口供电。由该端口控制温度采集电路的供电时间,如5s钟采样一次温度值,则在采样前通电,采样后立即关断。

分流旋翼式流量计的工作原理为:蒸汽流经表体内部时,其中一路流体经喷嘴冲击翼轮旋转,翼轮上的磁钢转至速度传感器的电磁线圈,便感应出电脉冲信号,该脉冲信号的频率与流体流速成正比,利用公式:

Qv=3600×f/k

可计算出体积流量值。

同时温度传感器采集温度值,经放大后送人单片机,单片机根据国标规定的饱和蒸汽温度与密度关系表,利用查表方式计算出密度d,然后将体积流量乘以密度就得到了质量流量。最后,单片机将流量值送显示器进行显示。

针对旋翼式流量计,本文设计的软件程序软件架构采用的措施及其意义如下:

1)5s钟采集一次温度值,以降低功耗;

2)手动设置仪表参数0.5s的节拍,使设置的速度适中;

3)从流量计算模块开始往下执行的各个程序模块都是的以1s为节拍。这样,仪表系数的设置、流量的计算、PWM信号的产生、数据信息的远传、数据的存储、各类数据的显示等工作都是在1秒内完成的,程序中各个模块的执行都有一定的顺序,有规律可循,便于软件编写。此外,以1s为节拍还有两个优点:其一,符合人眼视觉的生理特点;其二,能够效果显著地降低功耗。因为这样程序不必无休止地运行,只是在显示数据需要更新的时候才运行一次;

4)为所有需要显示的内容共设一个显示缓冲,需要显示内容时,只要将要相应的显示缓冲内的内容送至显示函数模块即完成了显示功能。这样做的好处是避免了为每一项需要显示的内容编写显示程序,省却编写大量类似的重复程序,使得软件更加精简,由此既减少了程序存储器的代码占有率,又可提高了代码执行效率。

设计完成了旋翼式蒸汽流量计的软、硬件系统以后,为了检测该流量计的计量精度和可靠性,在多家公司标准装置上进行了试验,试验结果证明该流量计的精度非常高。

参考文献

[1]蔡武昌,孙淮清,纪纲,流量测量方法和仪表的选用[M],化学工业出版社,2001,4

[2]王化祥,自动检测技术[M],化学工业出版社,2004,8,