一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统及校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统及校准方法，它包括气源产生装置、标准表区和待测表区三大部分，及主控器，其特征在于：空压机和前储气罐构成系统气源产生装置，分别安装喷嘴流量计、涡街流量计和超声波流量计的并联的三路管道为系统的标准表区，后储气罐和分别安装三个待测表的并联的三路管道为系统的待测表区。本发明采用改进的过程控制系统对流体产生进行控制，提高了系统气源的可靠性。创新式的发明了多路管道校准模式，使系统适用能力更强。系统能够很好的应用于实验室气体流量校准的各项要求。
【专利说明】一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统及校准 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仪器仪表学科领域，涉及一种基于实验室多路管道的高速气体流量校 准系统及校准方法，适用于实验室气体流量的标定。
【背景技术】
[0002] 气体流量标准装置可以分成原始标准(一次标准）和传递标准(次级标准）两大类， 目前国际上已经开发出多种型式的装置。原始标准有容积法和质量法两类装置，各类装置 有静态法和动态法之分，因其测量难度大故本系统不采用此类方法。本系统采用传递标准 法，选用具有良好重复性和稳定性的流量计作为标准表对待测表进行标定。采用多种控制 算法同时应用，提高系统控制的准确性和快速性。多种标定模式可供选择，可对各种情况下 的流量计进行标定。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于在实验室条件下对实验表进行快速、准确的标定，从而提供一 种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统及校准方法。
[0004] 本发明技术方案之一： 一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，它包括气源产生装置、标准表区 和待测表区三大部分，及主控器，空压机和前储气罐构成系统气源产生装置，分别安装喷嘴 流量计、涡街流量计和超声波流量计的并联的三路管道为系统的标准表区，后储气罐和分 别安装三个待测表的并联的三路管道为系统的待测表区。
[0005] 标准表区并联的三路管道连接在前储气罐和后储气罐之间，并联的三路管道分别 为：第一路管道上依次连接电动套筒调节阀、减压阀、喷嘴流量计和温压补偿装置；第二路 管道上依次连接电动套筒调节阀、减压阀、涡街流量计和温压补偿装置；第三路管道上依次 连接电动套筒调节阀、减压阀、超声波流量和温压补偿装置。
[0006] 标准表区并联的三路管道的管径分别：为第一路管径DN20mm，第二路管径 DN50mm，第三路管径DN50mm。
[0007] 待测表区并联的三路管道中各管道依次连接减压阀、待测流量计和温压补偿装 置。
[0008] 待测表区并联的三路管道的管径分别：第四路管径DN20mm，第五路管径DN32mm， 第六路管径DN50mm。
[0009] 前储气罐的规格为2. 0m3 /1. 3mpa，容积总高2788mm，容积直径1000mm，进、出口均 为DN80mm ;后储气罐的规格为1. Om3/l. 3mpa，容积总高2331mm,容积直径800mm,进、出口 均为 DN65mm。
[0010] 主控器连接被控电动套筒调节阀和带温压补偿的流量计构成闭环回路，系统电源 皆由主控器提供，各传感器连接主控器的AIW，电动套筒调节阀连接主控器的AQW，主控器 通过RS485总线与PC连接。 toon] 本发明技术方案之二： 一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准方法，校准方法的实现过程分为控制实 现和组态实现两部分： 控制实现为：控制实现又分为一般闭环控制和阀门的自适应控制，控制器PLC采用组 态软件进行上位机检测，根据设置好的流量值和检测到的流量值的差值进行运算，并改变 套筒调节阀实现控制管道流量的目的； PID控制器是一种线性控制器，它对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t) 进行控制，系统的被控对象为电动套筒调节阀； 根据多组阀门开度和流量的对应数据采用曲线拟合方法拟合出多项式，采用一次多项 式拟合方法即线性拟合并采用最小二乘法的拟合方法，将实时的设定值代入多项式运算得 到一个阀门开度参考值；再通过调节算法缩短调节时间达到优化调节目的； 组态实现为：上位机选用组态软件MCGS5. 5进行系统的控制界面建立和参数的设置， 先对系统中设计的所有参数制成表格输入到组态的实时数据库，为后续组态的调用做准 备； 通过组态软件选择所需的标定模式中： 单路模式有9路选择模式，对待测表而言有3种标准表选择；通过上位机设定好参考流 量后，通过系统自动调节阀门开度使管道流量达到设定值，进行流量记录了；其后改变几组 流量值，分别记录下标准表和待测表的显示数据；标定时标准表的选择按同类优先原则，即 优先保证标准表和测试表为同一类型；同时对流体特性进行测试，通过对同种流量计在不 同管道管径情况下的流量差异来研究流体流量特性，理论上当流速小于50m/s、气压变化不 大情况下，认为气体为不可压缩气体； 多路模式共有40种，在进行多路标定之前要进行单路标定实验验证标准表的准确性， 否则将引起后面的标定数据的无效； 多路标定覆盖面按标定形式划分，包含待测表测试性能验证和待测表精度标定；按控 制方法分为l+n、2+n、3+n共三大种，其中数字代表标准表个数，η代表待测表个数；其中 1+η模式下，当η=2, 3时共有12条通路；2+η模式下，η=1, 2, 3共有21条通路；3+η模式下， η=1，2, 3共有7条通路，按需要选择所需的系统通路，多路标定视为对待测表标定的实际验 证，起到佐证其性能参数的作用。
[0012] 本发明通过与上位机相连的主控器对电动套筒调节阀进行控制实现管道流量控 制的目的。采用的控制算法既包含闭环PID又结合了自适应控制，能适应各种恶劣的运行 环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种控制器，为控制的精准度提供保障。同时系 统提供了设计双储气罐能很好的稳定管道气流，提高校准系统的可靠性；设计多路校准管 道，可实现多种校准模式，校准系统适用场合更广，丰富了标定方式并提高了标定精度。
[0013] 总之，本发明采用改进的过程控制系统对流体产生进行控制，提高了系统气源的 可靠性。创新式的发明了多路管道校准模式，使系统适用能力更强。系统能够很好的应用 于实验室气体流量校准的各项要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1、实验室多路管道的高速气体流量校准方法的装置结构图； 图2、标定状态图转换图； 图3、系统控制框图； 图4、阀门开度闭环控制流程图； 图5、阀门自适应算法实现。
[0015] 图中： 图1给出了所发明的流量校准系统的结构图，基本涵盖了系统的所有过程量和涉及设 备。图2给出了校准系统的49种校准模式，其中虚线代表单路校准、实现代表着多路校准。 图3给出了系统的控制框图，图中给出了闭环控制的各个环节。图4给出了 PLC闭环控制 的程序流程图。图5为采用最小二乘法进行多项式拟合的过程，拟合的多项式适用于阀门 的开度控制。
[0016] 空压机1，前储气罐2,第一路管道3-1，第二路管道3-2,第三路管道3-3,电动套筒 调节阀4,减压阀5,喷嘴流量计6-1，涡街流量计6-2,超声波流量计6-3,温压补偿装置7， 后储气罐8,第四路管道9-1，第五路管道9-2,第六路管道9-3,减压阀10、待测流量计11， 温压补偿装置12。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 : 校准系统总体设计：一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，系统共分为 系统气源产生装置、标准表区和待测表区三大部分。空压机加前储气罐构成系统气源产生 装置；分别安装喷嘴流量计、涡街流量计和超声波流量计的并联的三路管道为系统的标准 表区，后储气罐加分别安装三个待测表的并联的三路管道为系统的待测表区。
[0018] 气源产生及气体缓冲装置：系统选用两个储气罐，前储气罐的规格为 2. 0m3/l. 3mpa，容积总高2788mm，容积直径1000mm，进、出口均为DN80。后储气罐的规格 为1.0m3/1.3mpa，容积总高2331mm,容积直径800mm，进、出口均为DN65。导流管定制带有 50mm, 20mm, 50mm连接接头和定制带有20mm, 32mm, 50mm连接接头分别用于系统前储气罐与 三路标准表区的连接和后储气罐与三路实验表区的连接，系统所有选用的管道皆为304不 锈钢材质，接口采用法兰连接。
[0019] 标准管道区：标准管道区由管径分别为DN20mm、DN50mm和DN50mm的三路管 道组成，安装标准管道上的标准流量计分别为喷嘴流量计、涡街流量计和超声波流量 计。标准流量传感器有喷嘴流量计、涡街流量计、超声波流量计，型号分别为：标准喷嘴 JCLGBY-0020024432其安装口径为DN20mm，具有1.0级精度，4-20MA输出；涡街流量计 JCUF-1305-1001-1010其安装口径位DN50精度为0. 5级，流量范围为12. 81-339. 9立方米 /小时，现场显示，4-20MA输出，供电电源24V其安装方式为法兰连接；超声波流量计选用 美国GE公司的PT878GC-01高精度气体超声波流量计，精度可达0. 5%，该流量计采用外夹 安装方式。电动套筒调节阀，选用型号为ZRSM-16C其中一款为DN20mm，两款为DN50mm阀 体材质碳钢，内件不锈钢，法兰连接，配220V电动执行器，输入输出4-20mA，其为线性调节 阀。PLC CPU224XP集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟 量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。 2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。拓展两 片EM235可实现了 4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。其他设备选型含有球形阀、减 压阀、智能仪表、系统框架等。球形阀选用Q11F-16,减压阀选用Y43H-16,系统采用智能型 的AI-818仪表，线性电流4?20mA电流输出，包含人工智能调节算法，模糊PID及参数自 整定功能，精度〇. 1%。系统中还包含着气罐的配套装置如离心式油水分离器（T-002K)、主 管路过滤器（A-002K )、微雾过滤器（A-002K )。
[0020] 实验管道区：实验管道区由管径分别为DN20mm、DN32mm和DN50mm的三路管道组 成，实验表可自行选择。
[0021] 实现过程可分为组态实现和控制实现两部分： 控制实现：控制实现又可分为一般闭环控制和阀门的自适应控制，如图3和图4所示， 控制器PLC根据设置好的(拟采用组态软件进行上位机检测)流量值和检测到的流量值的差 值进行运算，并改变套筒调节阀实现控制管道流量的目的。PID控制器是一种线性控制器， 它对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)进行控制；如图5所示从本系统的实 际情况出发，系统的被控对象为电动套筒调节阀，而调节阀的开度调节时间偏长且在开度 调节期间系统不能进行参数的改变否则系统将进入下一个调节周期，这将造成系统控制失 败。为进一步提高系统的调节时间、可控制精度拟采用外加开环控制电动套筒调节阀使调 节阀开度实现自适应调节从而减少调节时间提高控制的有效性和控制精度。根据多组阀门 开度和流量的对应数据可采用曲线拟合方法拟合出合适的多项式，将实时的设定值代入多 项式运算能够快速的得到一个阀门开度参考值。再通过调节算法能够缩短调节时间达到优 化调节目的。本系统流量计多数为线性部件，故考虑采用一次多项式拟合方法(线性拟合） 并采用最小二乘法的拟合方法。
[0022] 组态实现为：上位机选用组态软件MCGS5. 5进行系统的控制界面建立和参数的设 置，先对系统中设计的所有参数制成表格输入到组态的实时数据库，为后续组态的调用做 准备。
[0023] 标定过程：如图2所示，通过组态软件选择所需的标定模式，单路模式可有9路选 择模式，对待测表而言有3种标准表选择。通过上位机设定好参考流量后，通过系统自动调 节阀门开度使管道流量快速达到设定值，即可进行流量记录了。其后改变几组流量值，分别 记录下标准表和待测表的显示数据。标定时标准表的选择按同类优先原则，即优先保证标 准表和测试表为同一类型。本系统还可对流体特性进行测试，通过对同种流量计在不同管 道管径情况下的流量差异来研究流体流量特性(理论上当流速小于50m/s、气压变化不大情 况下可认为气体为不可压缩气体)。多路模式共有40种，多路标定覆盖面广泛按标定形式 划分主要包含待测表测试性能验证、待测表精度标定。按控制方法主要分为l+n、2+n、3+n 共三大种，其中数字代表标准表个数，η代表待测表个数。如图2为多路标定状态图，其中9 条虚线包含于单路分解标定中，在此为追求图形完整将其补上。在进行多路标定之前需进 行单路标定实验验证标准表的准确性，否则将引起后面的标定数据的无效。此类模式主要 是进行验证实验，将前端标准仪器所测的与待测表区所测数据进行对比用于验证待测表的 校准效果，也可用于区分存在较大误差待测表。其中1+η模式下，当η=2, 3时共有12条通 路；2+η模式下，η=1，2, 3共有21条通路；3+η模式下，η=1，2, 3共有7条通路，可按需要灵 活选择所需的系统通路，多路标定可视为对待测表标定的实际验证，起到佐证其性能参数 的作用。
【权利要求】
1. 一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，它包括气源产生装置、标准表 区和待测表区三大部分，及主控器，其特征在于：空压机和前储气罐构成系统气源产生装 置，分别安装喷嘴流量计、涡街流量计和超声波流量计的并联的三路管道为系统的标准表 区，后储气罐和分别安装三个待测表的并联的三路管道为系统的待测表区。
2. 根据权利要求1所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：标准表区并联的三路管道连接在前储气罐和后储气罐之间，并联的三路管道分别为： 第一路管道上依次连接电动套筒调节阀、减压阀、喷嘴流量计和温压补偿装置；第二路管道 上依次连接电动套筒调节阀、减压阀、涡街流量计和温压补偿装置；第三路管道上依次连接 电动套筒调节阀、减压阀、超声波流量和温压补偿装置。
3. 根据权利要求2所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：标准表区并联的三路管道的管径分别：为第一路管径DN20mm，第二路管径DN50mm，第 三路管径DN50mm。
4. 根据权利要求1所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：待测表区并联的三路管道中各管道依次连接减压阀、待测流量计和温压补偿装置。
5. 根据权利要求4所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：待测表区并联的三路管道的管径分别：第四路管径DN20mm，第五路管径DN32mm，第六 路管径DN50mm。
6. 根据权利要求1所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：前储气罐的规格为2. Om3/l. 3mpa，容积总高2788mm，容积直径1000mm，进、出口均为 DN80mm ;后储气罐的规格为1. 0m3/l. 3mpa，容积总高2331mm,容积直径800mm，进、出口均为 DN65mm。
7. 根据权利要求1所述的一种基于实验室多路管道的高速气体流量校准系统，其特征 在于：主控器连接被控电动套筒调节阀和带温压补偿的流量计构成闭环回路，系统电源皆 由主控器提供，各传感器连接主控器的AIW，电动套筒调节阀连接主控器的AQW，主控器通 过RS485总线与PC连接。
8. -种基于实验室多路管道的高速气体流量校准方法，校准系统包括包括气源产生装 置、标准表区和待测表区三大部分，及主控器，空压机和前储气罐构成系统气源产生装置， 分别安装喷嘴流量计、涡街流量计和超声波流量计的并联的三路管道为系统的标准表区， 后储气罐和分别安装三个待测表的并联的三路管道为系统的待测表区，其特征在于校准方 法的实现过程分为控制实现和组态实现两部分： 控制实现为：控制实现又分为一般闭环控制和阀门的自适应控制，控制器PLC采用组 态软件进行上位机检测，根据设置好的流量值和检测到的流量值的差值进行运算，并改变 套筒调节阀实现控制管道流量的目的； PID控制器是一种线性控制器，它对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t) 进行控制，系统的被控对象为电动套筒调节阀； 根据多组阀门开度和流量的对应数据采用曲线拟合方法拟合出多项式，采用一次多项 式拟合方法即线性拟合并采用最小二乘法的拟合方法，将实时的设定值代入多项式运算得 到一个阀门开度参考值；再通过调节算法缩短调节时间达到优化调节目的； 组态实现为：上位机选用组态软件MCGS5. 5进行系统的控制界面建立和参数的设置， 先对系统中设计的所有参数制成表格输入到组态的实时数据库，为后续组态的调用做准 备； 通过组态软件选择所需的标定模式中： 单路模式有9路选择模式，对待测表而言有3种标准表选择；通过上位机设定好参考流 量后，通过系统自动调节阀门开度使管道流量达到设定值，进行流量记录了；其后改变几组 流量值，分别记录下标准表和待测表的显示数据；标定时标准表的选择按同类优先原则，即 优先保证标准表和测试表为同一类型；同时对流体特性进行测试，通过对同种流量计在不 同管道管径情况下的流量差异来研究流体流量特性，理论上当流速小于50m/s、气压变化不 大情况下，认为气体为不可压缩气体； 多路模式共有40种，在进行多路标定之前要进行单路标定实验验证标准表的准确性， 否则将引起后面的标定数据的无效； 多路标定覆盖面按标定形式划分，包含待测表测试性能验证和待测表精度标定；按控 制方法分为l+n、2+n、3+n共三大种，其中数字代表标准表个数，η代表待测表个数；其中 1+η模式下，当η=2, 3时共有12条通路；2+η模式下，η=1, 2, 3共有21条通路；3+η模式下， η=1，2, 3共有7条通路，按需要选择所需的系统通路，多路标定视为对待测表标定的实际验 证，起到佐证其性能参数的作用。
【文档编号】G01F25/00GK104061984SQ201410304883
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】李跃忠, 熊永康, 胡开明 申请人:东华理工大学