摘要 ：本文在調(diào)研我國當(dāng)前天然氣流量計(jì)儀器發(fā)展?fàn)顩r前提下，從工作原理、設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用方向等方面，詳細(xì)介紹了不同天然氣流量計(jì)的異同點(diǎn)，同時(shí)分析了壓力、溫度以及操作人員技能等方面對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響，隨后，從具體的測(cè)量儀器角度，分別闡述了速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)以及差壓式流量計(jì)對(duì)測(cè)量精度影響因素。計(jì)量儀器性能、介質(zhì)、溫度、測(cè)量工況以及部件安裝條件等都會(huì)對(duì)天然氣計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，為了提高天然氣計(jì)量精度，必須掌握各個(gè)計(jì)量儀器工作原理以及運(yùn)行參數(shù)，使儀器參數(shù)達(dá)到天然氣計(jì)量允許范圍內(nèi)，才能降低天然氣計(jì)量偏差，提高計(jì)量精度。

1、天然氣流量計(jì)類型：
  基于當(dāng)前天然氣計(jì)量儀器的發(fā)展?fàn)顩r，從測(cè)量原理角度分析，天然氣流量計(jì)可劃分為5 類，分別為超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)以及皮膜表^[1-4]。各類流量計(jì)具體工作原理和特點(diǎn)等如表1 所示。

表1 天然氣流量計(jì)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用方向

2、計(jì)量精度影響因素分析：
 
2.1、壓力、溫度：
 天然氣狀態(tài)對(duì)壓力與溫度的變化十分敏感，氣體體積在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，根據(jù)介質(zhì)材料溫度和壓力，結(jié)合實(shí)際天然氣運(yùn)營情況，合理調(diào)準(zhǔn)天然氣標(biāo)準(zhǔn)范圍，可以有效降低計(jì)量偏差。在北方，冬夏溫差大，天然氣流量計(jì)量誤差范圍3% ～8%，
 倘若未制定介質(zhì)壓力和溫度計(jì)量規(guī)范，燃?xì)夤緯?huì)有一定程_度損失[1-4]_。
 
2.2、計(jì)量環(huán)境溫度：
 天然氣計(jì)量精度也受到環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度變化時(shí)，測(cè)量精度有所降低。長時(shí)間處于溫度不穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致儀器出現(xiàn)問題，計(jì)量裝置中有一種儀器為流量傳感器，是一種熱膨脹性材料制成的，流量傳感器對(duì)工作環(huán)境溫度的變化感知很靈敏。計(jì)量環(huán)境溫度很低時(shí)，天然氣計(jì)量會(huì)較慢，計(jì)量誤差也會(huì)較大，一般為正常計(jì)量值的2.6 ～3.9 倍，表明工作環(huán)境溫差變化對(duì)計(jì)量儀表計(jì)量精度影響較大^[5]。
 
2.3、技能與培訓(xùn)：
 儀器操作人員對(duì)計(jì)量規(guī)范的認(rèn)識(shí)以及技能的提高，有利于降低人為計(jì)量偏差。針對(duì)從事流量計(jì)量工作的人員，要加強(qiáng)技能培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，提高計(jì)量隊(duì)伍整體綜合水平，首先，要了解計(jì)量儀表性能，檢測(cè)不同壓力和溫差下儀表流量，根據(jù)工作環(huán)境選擇型號(hào)、性能合適的計(jì)量儀器；其次，對(duì)操作人員進(jìn)行安裝培訓(xùn)，特別要了解計(jì)量器的工作原理，避免因人為操作不當(dāng)導(dǎo)致計(jì)量儀器安裝不對(duì)，引起較大的計(jì)量偏差。針對(duì)上述問題，要加強(qiáng)對(duì)工作人員技能培訓(xùn)，普及天然氣流量計(jì)量誤差知識(shí)，掌握計(jì)量裝置工作原理，才能有效保證燃?xì)夤咎烊粴廨斔瓦\(yùn)行狀態(tài)安全。
 
3、不同類型流量計(jì)精度影響因素分析：
 
3.1、速度式流量計(jì)計(jì)量精度分析：
 速度式流量計(jì)中使用***為廣泛的是超聲波流量計(jì)，速度式流量計(jì)還包括渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)渦輪流量計(jì)。對(duì)速度式流量計(jì)計(jì)量精度影響較大的因素主要有：
 
(1) 流體密度、粘度。密度和粘度越大，計(jì)量阻力越大，計(jì)量精度會(huì)降低，只有流體流速和流態(tài)均較平穩(wěn)時(shí)，才能提高計(jì)量精度。
 
(2) 對(duì)渦輪流量計(jì)安裝要求。測(cè)量儀器安裝偏斜也會(huì)造成計(jì)量誤差。
 
(3) 機(jī)械部件。儀器部件尺寸也會(huì)對(duì)渦輪儀計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生影響，流體含有雜質(zhì)或者流量計(jì)長時(shí)間運(yùn)行，會(huì)對(duì)成軸承壓產(chǎn)生磨損，計(jì)量準(zhǔn)確性降低。
 
3.2、容積式流量計(jì)計(jì)量精度分析：
 
容積式流量計(jì)***為典型的是腰輪流量計(jì)，計(jì)算流量公式如下：
 
q = n·V

部件間隙有關(guān)，部件之間的間隙越大，計(jì)量誤差越大，計(jì)算泄漏量引起的流量誤差公式如下:

E = q∂(1 − ε Q)
 
式中：E 為相對(duì)誤差；q 為容室體積；α 為齒輪比常數(shù)；ε 為泄漏量；Q 為流量。
 
在選用流量計(jì)的時(shí)候，應(yīng)注意對(duì)儀器部件間隙參數(shù)檢查，確保各項(xiàng)參數(shù)在精度允許范圍內(nèi)，才能滿足誤差測(cè)量要求。
 
3.3、差壓式流量計(jì)計(jì)量精度分析：
 
差壓式流量計(jì)主要為孔板流量計(jì)，對(duì)該儀器測(cè)量精度影響較大的是天然氣的流體特性、儀器本身性能、以及安裝使用條件等，具體分析如下：
 
(1) 壓力和溫度。環(huán)境溫度和壓力的變化對(duì)天然氣密度、壓縮系數(shù)以及粘度都會(huì)產(chǎn)生影響，測(cè)量流體中含有雜質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致部件轉(zhuǎn)角口、管彎處形成沖刷和腐蝕。
 
(2) 儀器性能。流量計(jì)儀器孔板厚度、端面平整度、部件的軸度、取壓位置、引壓管位置的設(shè)定以及引管長度等，都會(huì)對(duì)流體積液產(chǎn)生影響，從而計(jì)量結(jié)果精度降低。
 
(3) 工況條件。安裝管線合理性直接關(guān)系到流量計(jì)偏離中心，直管段測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，環(huán)境溫度、濕度、電磁干擾等對(duì)測(cè)量儀器有影響。

3.4、產(chǎn)品價(jià)格：

3.5、產(chǎn)品參數(shù)：

一、概述

   智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是我公司開發(fā)研制的具有國內(nèi)水平的新型氣體流量儀表。該流量計(jì)集流量、溫度、壓力檢測(cè)功能于一體，并能進(jìn)行溫度、壓力、壓縮因子自動(dòng)補(bǔ)償，是石油、化工、電力、冶金等行業(yè)用于氣體計(jì)量的理想儀表?？捎糜诟鞣N氣體煤氣、空氣、氫氣、天然氣、氮?dú)狻⒁夯蜌?、過氧化氫、煙道氣、甲烷、丁烷、氯氣、燃?xì)?、沼氣、二氧化碳、氮?dú)?、乙炔、光氣、氧氣、壓縮空氣、氬氣、甲苯、苯、二甲苯、硫化氫、二氧化硫、氨氣等。

1.1產(chǎn)品主要特點(diǎn) 
 

 l        無機(jī)械可動(dòng)部件，不易腐蝕，穩(wěn)定可靠，壽命長，長期運(yùn)行無須特殊維護(hù)；

 l         采用16位電腦芯片，集成度高，體積小，性能好，整機(jī)功能強(qiáng)；

 l         智能型流量計(jì)集流量探頭、微處理器、壓力、溫度傳感器于一體, 采取內(nèi)置式組合,使結(jié)構(gòu)更加緊湊，可直接測(cè)量流體的流量、壓力和溫度，并自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償和壓縮因子修正；

 l         采用雙檢測(cè)技術(shù)可有效地提高檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，并抑制由管線振動(dòng)引起的干擾；

 l         采用國內(nèi)的智能抗震技術(shù)，有效的抑制了震動(dòng)和壓力波動(dòng)造成的干擾信號(hào)；

 l         采用漢字點(diǎn)陣顯示屏，顯示位數(shù)多，讀數(shù)直觀方便，可直接顯示工作狀態(tài)下的體積流量、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量、總量，以及介質(zhì)壓力、溫度等參數(shù)；

 l         采用EEPROM技術(shù)，參數(shù)設(shè)置方便，可保存，并可保存***長達(dá)一年的歷史數(shù)據(jù)；

 l         轉(zhuǎn)換器可輸出頻率脈沖、4～20mA模擬信號(hào)，并具有RS485接口，可直接與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，傳輸距離可達(dá)1.2km；

 l         多物理量參數(shù)報(bào)警輸出，可由用戶任選其中之一；

 l         流量計(jì)表頭可360度旋轉(zhuǎn)，安裝使用簡單方便；

 l         配合本公司的FM型數(shù)據(jù)采集器，可通過因特網(wǎng)或者電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

 l         壓力、溫度信號(hào)為傳感器輸入方式，互換性強(qiáng)；

 l         整機(jī)功耗低，可用內(nèi)電池供電，也可外接電源。

1.2主要用途
 

智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)可廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、城市供氣等行業(yè)測(cè)量各種氣體流量，是目前油田和城市天然氣輸配計(jì)量和貿(mào)易計(jì)量的實(shí)惠產(chǎn)品。

二、 結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1流量計(jì)結(jié)構(gòu)流量計(jì)

由以下七個(gè)基本部件組成（圖1）                                              

1.旋渦發(fā)生體用鋁合金制成，具有一定角度的螺旋葉片，它固定在殼體收縮段前部，強(qiáng)迫流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦流。

⒉ 殼體本身帶有法蘭，并有一定形狀的流體通道，根據(jù)不同的工作壓力，殼體材料可采用鑄鋁合金或不銹鋼。          

⒊ 智能流量計(jì)積算儀（原理見圖3）                   

由溫度、壓力檢測(cè)模擬通道、流量檢測(cè)數(shù)字通道以及微處理單元、液晶驅(qū)動(dòng)電路和其它輔助電路組成，并配有外輸信號(hào)接口。               

4. 溫度傳感器以Pt100鉑電阻為溫度敏感元件，在一定溫度范圍內(nèi)，其電阻值與溫度成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5. 壓力傳感器以壓阻式擴(kuò)散硅橋路為敏感元件，其橋臂電阻在外界壓力作用下會(huì)發(fā)生預(yù)期變化，因此在一定激勵(lì)電流作用下，其兩個(gè)輸出端的電位差與外界壓力成正比。

6. 壓電晶體傳感器安裝在靠近殼體擴(kuò)張段的喉部，可檢測(cè)出漩渦進(jìn)動(dòng)的頻率信號(hào)。

⒎ 消旋器固定在殼體出口段，其作用是消除旋渦流，以減小對(duì)下游儀表性能的影響。

2.2工作原理 

   流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線。在入口側(cè)安放一組螺旋型導(dǎo)流葉片，當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時(shí)，導(dǎo)流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當(dāng)流體進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí)，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。該進(jìn)動(dòng)頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質(zhì)和密度的影響，檢測(cè)元件測(cè)得流體二次旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。信號(hào)經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)換為與流速成正比的脈沖信號(hào)，然后再與溫度、壓力等檢測(cè)信號(hào)一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，***后在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果(瞬時(shí)流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù))。 

2.3流量積算儀工作原理 

 流量積算儀由溫度和壓力檢測(cè)模擬通道、流量傳感器通道以及微處理器單元組成，并配有外輸出信號(hào)接口，輸出各種信號(hào)。流量計(jì)中的微處理器按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，并自動(dòng)進(jìn)行壓縮因子修正，氣態(tài)方程如下：

   ………………(2)  

 式中： QN              ——標(biāo)況下的體積流量(m3/h)；

QV——工況下的體積流量(m3/h；

Pa ——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ↘Pa）；

P ——流量計(jì)取壓孔測(cè)量的表壓（KPa）；

PN ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力（101.325 KPa）；

 TN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（293.15K）；

 T ——被測(cè)流體的溫度（K）；

ZN ——氣體在標(biāo)況下的壓縮系數(shù)； Z   ——氣體在工況下的壓縮系數(shù)；

 注：當(dāng)用鐘罩或負(fù)壓標(biāo)定時(shí)取ZN/Z=1，對(duì)天然氣(ZN/Z)1/2=FZ為超壓縮因子。按中國石油天然氣總公司的標(biāo)準(zhǔn)SY／T6143－1996中的公式計(jì)算。  

三、主要技術(shù)參數(shù)與功能

3.1流量計(jì)規(guī)格、基本參數(shù)和性能指標(biāo)（見表1）（表1）

注：1.準(zhǔn)確度：為溫度、壓力修正后的系統(tǒng)精度；    

      2. A、B用以區(qū)別相同通徑不同流量范圍。

3.2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件：P=101.325KPa，T=293.15K

3.3使用條件：環(huán)境溫度：-30℃～+65℃ 相對(duì)濕度：5%～95% 介質(zhì)溫度：-20℃～+80℃ 大氣壓力：86KPa～106KPa

3.4電氣性能指標(biāo)

3.4.1工作電源：

A．外電源：＋24VDC±15%，紋波＜5％，適用于4～20mA輸出、脈沖輸出、報(bào)警輸出、RS-485等；       

B．內(nèi)電源：1組3.6V鋰電池（ER26500），當(dāng)電壓低于3.0V時(shí)，出現(xiàn)欠壓指示。  

3.4.2整機(jī)功耗：      

A．外電源：<2W;       

B．內(nèi)電源：平均功耗1mW，可連續(xù)使用兩年以上。

3.4.3脈沖輸出方式：

A． 工況脈沖信號(hào)，直接將流量傳感器檢測(cè)的工況脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離放大輸出，高電平≥20V，低電平≤1V；        

B．  定標(biāo)脈沖信號(hào)，與IC卡閥門控制器配套，高電平幅度≥2.8V，低電平幅度≤0.2V，單位脈沖代表體積量可設(shè)定范圍：0.001m3~100m3。單選擇該值時(shí)必須注意：定標(biāo)脈 沖信號(hào)頻率應(yīng)≤900Hz。    

C． 定標(biāo)脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦隔離放大輸出，高電平≥20V，低電平≤1V。

3.4.4  RS－485通信（光電隔離），可實(shí)現(xiàn)以下功能：

A．采用RS－485接口，可直接與上位機(jī)或二次表聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)傳顯示介質(zhì)的溫度、壓力和經(jīng)溫度、壓力補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)體積流量和標(biāo)準(zhǔn)體積總量；

B．由RS－485接口與HW－Ⅰ數(shù)據(jù)采集器配套，可組成電話網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器可帶15臺(tái)流量計(jì)；

C．由RS－485接口與HW－Ⅱ數(shù)據(jù)采集器配套，可組成寬帶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由INTERNET傳輸數(shù)據(jù)，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器可帶8臺(tái)流量計(jì)。

3.4.5  4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（光電隔離）       

與標(biāo)準(zhǔn)體積流量成正比，4mA對(duì)應(yīng)0 m3/h， 20 mA對(duì)應(yīng)***大標(biāo)準(zhǔn)體積流量（該值可在一級(jí)菜單中進(jìn)行設(shè)置），制式：兩線制或三線制，流量計(jì)可根據(jù)所插電流模塊自動(dòng)識(shí)別，并正確輸出。

3.4.6控制信號(hào)輸出：

A．下限報(bào)警信號(hào)（LP）：光電隔離，高低電平報(bào)警，報(bào)警電平可設(shè)定，工作電壓＋12V~+24V，***大負(fù)載電流50mA；

B．上限報(bào)警信號(hào)（UP）：光電隔離，高低電平報(bào)警，報(bào)警電平可設(shè)定，工作電壓＋12V~+24V，***大負(fù)載電流50mA；       

C．關(guān)閥報(bào)警輸出（BC端，IC卡控制器用）：邏輯門電路輸出，正常輸出低電平，幅度≤0.2V；報(bào)警輸出高電平，幅度≥2.8V,負(fù)載電阻≥100kΩ；

D．電池欠壓報(bào)警輸出（BL端，IC卡控制器用）：邏輯門電路輸出，正常輸出低電平，幅度≤0.2V；報(bào)警輸出高電平，幅度≥2.8V,負(fù)載電阻≥100kΩ；

3.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

3.5.1流量計(jì)為了適應(yīng)數(shù)據(jù)管理方面的需要，增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，由設(shè)定選擇以下三者之一：

A．起停記錄：***近的1200次起停時(shí)間、總量、凈流量記錄。出廠默認(rèn)項(xiàng)。對(duì)應(yīng)通信協(xié)議由公司另外提供）；

B．日記錄：***近920天的日期、零點(diǎn)時(shí)刻的溫度、壓力、標(biāo)準(zhǔn)體積流量和總量記錄。

C．定時(shí)間間隔記錄：1200條定時(shí)間間隔的日期時(shí)間、溫度、壓力、標(biāo)準(zhǔn)體積流量和總量記錄。

3.5.2通過電腦可讀取上述存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線圖供分析。

3.6網(wǎng)絡(luò)通信管理軟件功能    

流量計(jì)與數(shù)據(jù)采集器配套，可通過電話線或?qū)拵ЬW(wǎng)進(jìn)行通信，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)流量計(jì)的歷史數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行讀取與設(shè)置，同時(shí)通信管理軟件可實(shí)現(xiàn)完善的管理功能。

3.7防爆標(biāo)志：ExdIIBT4;ExiaIICT4 3.8防護(hù)等級(jí)：IP65 3.9壓力損失流量計(jì)實(shí)際壓力損失計(jì)算公式如下：    …………………(1)

  式中：

ΔP1-——流量計(jì)實(shí)際壓力損失（KPa）； ρ  ——被測(cè)介質(zhì)密度（kg/m3） ΔP -——介質(zhì)為干空氣時(shí)流量計(jì)的壓力損失(KPa),其特性曲線見下圖 3.10接線口：出線接口為M20×1.5內(nèi)螺紋。  

四、選型與安裝

4.1流量計(jì)選型在選型過程中應(yīng)把握兩條原則；

即：一要保證生產(chǎn)安全，二要保證使用精度。為此必須落實(shí)三個(gè)選型參數(shù)，即近期和遠(yuǎn)期的***大、***小及常用流量(主要用于選定儀表公稱通徑)、被測(cè)介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力(主要用于選定儀表的公稱壓力等級(jí))、實(shí)際工作壓力(主要用于選定儀表壓力傳感器的壓力等級(jí))。 a. 當(dāng)已知被測(cè)流量為工況體積流量時(shí)，可直接按表中的流量范圍選取適配的公稱通徑； b. 當(dāng)已知被測(cè)流量為標(biāo)況條件下的體積流量時(shí)，應(yīng)先將標(biāo)況體積流量QN換算為工況體積流量Qv，再按技術(shù)參數(shù)表中的流量范圍選取相應(yīng)的公稱通徑； c. 當(dāng)兩種口徑流量計(jì)均能覆蓋較低和***高體積流量時(shí)，在壓損允許下，應(yīng)盡量選小口徑； d.勿使實(shí)際***小流量Qmin低于所選公稱通徑流量計(jì)的流量下限； e.流量范圍、公稱壓力有特殊要求時(shí)可協(xié)議訂貨。  選型計(jì)算公式如下：    式中：T、P、Pa含義同上，Q為體積流量，Qn為標(biāo)準(zhǔn)體積流量，Z/Zn數(shù)值列于表2.因計(jì)算步長較大，表內(nèi)數(shù)據(jù)僅供參考，表中數(shù)據(jù)按天然氣真實(shí)相對(duì)密度Gr=0.600，氮?dú)夂投趸寄柗謹(jǐn)?shù)均為0.00計(jì)算。當(dāng)介質(zhì)壓力低于0.1MPa，均可按Z/Zn＝1估算。

 流量是天然氣生產(chǎn)與輸送過程中的重要參數(shù)之一，只有對(duì)天然氣進(jìn)行計(jì)量才能有效地管理天然氣的供給與交付，控制天然氣的庫存量，***大限度地降低不明原因的天然氣損耗，避免輸氣監(jiān)測(cè)的爭端。近年來，隨著科技的進(jìn)步，各種新型的天然氣計(jì)量技術(shù)得到了發(fā)展，其中的一項(xiàng)新技術(shù)是超聲波氣體流量計(jì)[1]。超聲波氣體流量計(jì)具有測(cè)量精度高、體積小、能耗低、無壓力損失、壽命長以及安裝使用方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。超聲波氣體流量計(jì)是速度式儀表，它通過檢測(cè)管道內(nèi)氣體流速來檢測(cè)氣體流量。根據(jù)測(cè)量的物理量不同，超聲波氣體流量計(jì)的檢測(cè)方法可分為時(shí)差法、相差法和頻差法。

    本文采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)了一種時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)，克服了采用傳統(tǒng)分離器件設(shè)計(jì)的不易更改性和不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定度，同時(shí)，利用FPGA設(shè)計(jì)了高速計(jì)數(shù)模塊，并采用了一些措施，達(dá)到了對(duì)氣體流量進(jìn)行高精度測(cè)量的目的。

    1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理[2]

    超聲波在氣體中的傳播速度與氣體流動(dòng)速度有關(guān)，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。在流速為υ的流動(dòng)媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器A和B，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理圖

    從換能器A發(fā)出超聲波到換能器B接收所用的時(shí)間為

    式中c為超聲波在靜止流體中的傳播速度；υ為流體的速度；θ為流體流向與超聲波傳播方向的夾角；L為2個(gè)換能器沿管道的距離；D為管道內(nèi)徑；為超聲波在探頭中與管壁中的傳播時(shí)間以及電路延時(shí)的總和。

    超聲波信號(hào)從換能器B傳送到換能器A所用的時(shí)間為

    可得超聲波不同方向的兩次傳送時(shí)差為

    由于v2cos2θ<<c2，則

    由于υ是聲程上的平均流速。而需要的是截面上的平均流速，必須根據(jù)流體力學(xué)公式進(jìn)行修正

    式中K為流體動(dòng)機(jī)學(xué)修正系數(shù)，它與圓管阻力系數(shù)λ有關(guān)

    而λ是流體雷諾數(shù)的函數(shù)，可表示為

    則流量為

    一段時(shí)間內(nèi)的累積流量為

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

    流量計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)為微控制器+FPGA結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求不同，在設(shè)計(jì)中將兩者分開，使數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾降到***小。微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA內(nèi)部集成了系統(tǒng)中的大部分?jǐn)?shù)字電路。微控制器+FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大簡化了系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。外圍電路包括由超聲波發(fā)射電路，發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)接收及預(yù)處理電路組成的模擬信號(hào)處理模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。各個(gè)電路模塊獨(dú)立完成其功能，又相互聯(lián)系，共同構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)。

    通過鍵盤模塊預(yù)設(shè)測(cè)量參數(shù)后，測(cè)量開始，89C51向超聲波發(fā)射電路輸出窄脈沖，同時(shí)，向FPGA輸出控制脈沖，F(xiàn)PGA中的高速計(jì)數(shù)模塊開始計(jì)數(shù)。窄脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵(lì)換能器A產(chǎn)生超聲波。換能器B接收到信號(hào)，這個(gè)微弱信號(hào)經(jīng)過前置放大電路、帶通濾波電路、峰值檢波電路、過零比較電路、脈沖展寬等電路組成的接收信號(hào)預(yù)處理模塊處理后，脈沖上沿控制FPGA的高速計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，即得到超聲波在管道中的順流傳播時(shí)間t1，把其存入FPGA的寄存器中。與此同時(shí)，給微控制器一個(gè)中斷信號(hào)。微控制器響應(yīng)中斷信號(hào)以后，通過控制發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換電路，使換能器B發(fā)射，換能器A接收超聲波，重復(fù)上述過程得到超聲波在管道中的逆流傳播時(shí)間t2，將t2也存入FPGA的寄存器中，將N次順逆流測(cè)量結(jié)果存入存儲(chǔ)模塊，用多次測(cè)量的平均值作為超聲波渡越時(shí)間，可以減小誤差，提高測(cè)量精度[3]。微處理器讀出這些數(shù)據(jù)經(jīng)過補(bǔ)償和計(jì)算可得到流體流量的統(tǒng)計(jì)平均值，將結(jié)果送到LED上顯示出來。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

    2.2 基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理模塊

    FPGA數(shù)字系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在FPGA內(nèi)部集成了適合超聲波氣體流量計(jì)的高精度計(jì)時(shí)電路、分頻電路、定時(shí)電路和部分邏輯控制電路[4]。將FPGA應(yīng)用于超聲波氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，不但簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且，提高了系統(tǒng)硬件的可升級(jí)性。

    提高測(cè)時(shí)精度是提高時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的關(guān)鍵。要地測(cè)量時(shí)間必須有高速的計(jì)數(shù)器，而使用普通的TTL集成電路因其工作頻率低，不能制作高速計(jì)數(shù)器。例如：速度***快的74F161，***高工作頻率也只有90MHz，實(shí)際上由于分布參數(shù)的影響，并考慮到各個(gè)元件之間在時(shí)序上的配合，其***高工作頻率還會(huì)下降，因此，無法實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)。為此，設(shè)計(jì)中采用FPGA芯片來制作高速計(jì)數(shù)器[5]。由于FPGA芯片內(nèi)部的工作頻率接近千兆赫茲，因此，可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)，從而提高測(cè)量精度和測(cè)量范圍。計(jì)數(shù)模塊內(nèi)的全部功能是基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，用硬件描述語言（VerilogHDL）編寫完成的[6]。

    高速計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)思路是在較低的外部時(shí)鐘頻率下實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)。其原理是基于數(shù)字移相計(jì)數(shù)。所謂移相是指多路同頻信號(hào)，以其中的一路作為參考，其他多路信號(hào)相對(duì)該信號(hào)在時(shí)間上做超前或滯后的移動(dòng)形成相位差[7]，原理如圖3所示。設(shè)外部輸入時(shí)鐘CK0的周期為T。由圖3知，由于待測(cè)脈沖的上升沿位置是隨機(jī)的，一般不會(huì)恰好落在時(shí)鐘信號(hào)的邊沿上。因此，帶來測(cè)量誤差，***大誤差為T。顯然，提高時(shí)鐘頻率可以減小測(cè)量誤差。為此，利用芯片內(nèi)的高精度數(shù)字鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)時(shí)鐘的零傳輸延時(shí)和移相。把CK0移相后得到CK1，CK2，CK3。這4路時(shí)鐘的相位彼此相差T/4。每一個(gè)時(shí)鐘后接一個(gè)D觸發(fā)器，待測(cè)脈寬的上升沿作為觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)。此外，CK0后接24位計(jì)數(shù)器。由圖看出：待測(cè)脈寬上升沿到達(dá)后，4個(gè)觸發(fā)器便有4種不同的組合值。由此組合值可以判斷出開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻，待測(cè)脈沖的前沿在時(shí)鐘的1/4周期中。這種方法等效于將時(shí)鐘頻率四倍頻，因而，誤差降為原來的1/4。同時(shí)，該法可以保證外部的時(shí)鐘頻率不變，避免時(shí)鐘頻率的提高帶來的其他問題。    

圖3 高速計(jì)數(shù)器原理    

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)    

    本設(shè)計(jì)采用KeilC編寫系統(tǒng)軟件。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言，兼顧了多種語言的特點(diǎn)。C語言有功能豐富的庫函數(shù)且運(yùn)算速度快、編譯效率高，具有很強(qiáng)的可移植性[8]。

    基于C語言的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法[9]，程序可讀性強(qiáng)，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。根據(jù)模塊化程序設(shè)計(jì)思想，軟件主程序結(jié)構(gòu)比較簡單，在流程中體現(xiàn)出模塊結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)軟件整體工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括I/O的分配、定時(shí)器中斷的初始化、FPGA復(fù)位、顯示液晶的初始化、相關(guān)寄存器的初始化等。初始化完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入流量檢測(cè)循環(huán)階段。

    軟件系統(tǒng)每秒鐘完成一次工作循環(huán)，由定時(shí)器實(shí)現(xiàn)1s定時(shí)，通過查詢標(biāo)志位的方式啟動(dòng)每一次循環(huán)。軟件系統(tǒng)主要完成4種工作狀態(tài)的切換，它們分別是：累計(jì)流量顯示狀態(tài)、截面平均流速顯示狀態(tài)、流量修正系數(shù)設(shè)置狀態(tài)和擬合參數(shù)設(shè)置狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)在系統(tǒng)標(biāo)志寄存器對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值設(shè)定，系統(tǒng)通過掃描鍵盤狀態(tài)進(jìn)行各個(gè)狀態(tài)之間的切換。    

    模塊化程序結(jié)構(gòu)包括：中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)、流速與流量計(jì)算程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)等[10]。其中，中斷服務(wù)程序是本系統(tǒng)軟件中的重要部分，由定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)，在此期間系統(tǒng)完成超聲波發(fā)射與FPGA計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)果的傳遞工作；流量與補(bǔ)償計(jì)算程序模塊主要完成截面平均流速、瞬時(shí)流量及累計(jì)流量的計(jì)算；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序模塊用于保存流量修正系數(shù)和累計(jì)流量，以防止系統(tǒng)意外掉電時(shí)數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循了模塊化設(shè)計(jì)思想，有很強(qiáng)的可讀性和可移植性。軟件結(jié)構(gòu)不但符合智能儀表軟件設(shè)計(jì)原則，而且符合系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖4 主程序流程圖

    4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    實(shí)驗(yàn)建立模擬管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能模擬真實(shí)管道中的氣體流動(dòng)，要達(dá)到能調(diào)節(jié)氣體流速、流量的目的。實(shí)驗(yàn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表為渦街流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)管道材料為PVC，口徑為30mm。氣體流量由風(fēng)機(jī)提供。風(fēng)機(jī)由變頻調(diào)速電機(jī)控制，通過計(jì)算機(jī)控制，測(cè)試系統(tǒng)可以設(shè)定變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量，并且，采集渦街流量計(jì)測(cè)得的流量數(shù)據(jù)。

    本實(shí)驗(yàn)主要檢驗(yàn)在低流速下，超聲波氣體流量計(jì)的檢測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)中的流速范圍設(shè)定在0.5~8.0m3/h，在這個(gè)流速范圍內(nèi)均勻地選擇了8點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，用空氣對(duì)超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄3組數(shù)據(jù)。通過對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的3組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測(cè)其重復(fù)性和不確定度。然后，采用三階曲線擬合進(jìn)行非線性修正。

表1 擬合后流速與相對(duì)誤差對(duì)照表

    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著流速的增加，系統(tǒng)測(cè)量精度也在提高，綜合考慮本系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

4、結(jié)語：
 正確選擇流量計(jì)的種類，了解各種流量計(jì)的使用要求，對(duì)提高天然氣計(jì)量精度、降低計(jì)量偏差十分重要。操作人員應(yīng)提高專業(yè)技能和知識(shí)水平，熟悉掌握儀器儀表技術(shù)特征，減少操作誤差，提高計(jì)量準(zhǔn)確率，確保設(shè)備安全運(yùn)行。