本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种能够与上下游其它计量设备互联互通，可有效提高整个工业流量计量的精确程度，优化上下游生产工艺，降低企业生产成本，提升工业自动化水平的联动型工业流量精确计量方法。
背景技术
目前，工业用流量计尽管种类繁多、原理各异，但都具有一个共同的特点，即：在流量的测量过程中，只能通过安装在管道上的流量计这一孤立设备来读取数据，并通过二次表、流量计算机等设备将数据传送给工控系统。而流量计由于无法进行大管径实流标定和各种特殊介质及工况标定，导致流量计在实际计量过程中，均存在误差甚至偏差；并且，加之各生产厂商的工艺水平限制，计量误差会进一步增大。同时，由于上下游工艺的波动调整、以及现场直管段长度不足等原因，常导致流量计所使用的工况条件发生变化，进而使得流量计在运行过程中、并不处于其初始设计时的工况范围内，所以致使流量计的计量精度大幅下降，严重影响整个工业流量计量的精确程度，不利于工业自动化的发展。故有必要对现有的工业流量计量方式予以改进。
技术实现要素：
本发明就是针对上述问题，提供一种能够与上下游其它计量设备互联互通，可有效提高整个工业流量计量的精确程度，优化上下游生产工艺，降低企业生产成本，提升工业自动化水平的联动型工业流量精确计量方法。
本发明所采用的技术方案是：该联动型工业流量精确计量方法包括如下步骤：
步骤一、工艺算法与计量过程数据交互；对现有的流量计量方法实行基于工艺的算法分析，让流量计在计量过程中，可以与距离该流量计最近的上游流动介质生产或运行情况进行工艺对比；完成工艺计算分析之后，即可得到流量计本身计量的理论数据；
步骤二、联动型计量过程的自校准；流量计在获取配料计量装置的数据之后，会与现有自身的计量数据进行比对；然后判断是否与理论的计量数据一致，如果一致或者误差在允许范围之内，则可以认定计量结果可信；如果误差超出允许范围，则需要流量计在计量过程中进行自校准；
步骤三、上下游通讯及联动型修正算法；将现有流量计与上游流量计采用基于无线通讯协议的方式进行通讯互联，在互通的流量计内部加装无线发射和接收模块，并在流量计的芯片层植入自我修正算法；以确保在联动型流量计量过程中，下游流量计的精度下限计算数值的总和，不大于总管网流量计的自校准后输出值；且精度上限计算数值总和，不小于总管网流量计的自校准后输出值；即：流量计的自校准后输出值介于下游流量计的上下限之间；如果修正结果无法满足要求，则等待流量计的瞬时流量变化后再次重复上述修正算法，直到满足要求为止；且如果其中一个流量计经过多次修正仍不满足要求，则该流量计发出报警信号，提示流量计故障或不满足现场计量要求；
步骤四、针对上下游直管段的工况计量修正；根据上下游直管段长度不足的工业现场情况，进行工况计量修正；并将工况条件下的仪表系数作为工业现场计量依据，从而大幅度提高流量计量的可靠性；上下游直管段的工况计量修正，重点在于解决流量计的仪表系数问题，使得计量更加精确可信；流量计的流量计算公式为：
式中：qm—管内流体质量流量
c—节流装置对应的流出系数，与结构参数运行参数有关
d—节流装置对应的节流孔直径
β—节流装置开孔与上游管道内径之比
δp—流体流经节流装置时所产生的差压值
ρ—流体流经节流装置时的密度
d—流体流经的管道内径
在上式中，管内流动的流体确定后，其在一定温度压力下的密度是已知的，一旦节流装置的几何尺寸确定，则其管道内径d、节流装置开孔与上游管道内径之比β均已确定，变量为差压δp、流出系数c及可膨胀系数ε；故进一步将上式改写为：
其中，k—节流装置在工况条件下的仪表系数，其表达式为：
在计量过程中，采用现场直管段数据及工况条件获得的仪表系数进行流量计算，以进一步提高计量精度。
所述步骤一，流量计获取各个配料计量装置数据的方法有两种：
(1)在各配料计量装置中设置无线发射接收模块，在流量计中设置无线发射接收模块；流量计通过无线模块可以分别获取来自各个配料计量装置的计量数据；以适应各种配料变化周期小的工业现场的使用需要；
(2)各配料计量装置中不设置无线模块，采用在虚拟无线发射设备中手动输入各配料设备的计量数据的方式；然后，通过虚拟无线发射设备将数据发给流量计；以适应配料变化周期大或配料基本不变的工业现场的使用需要。
所述步骤二，流量计在计量过程中进行自校准的算法为：
同时要求满足：
式中：q1—经过工艺算法的理论计量数据
q10—未自校准时的流量计的瞬时流量
q11—未自校准时流量计的精度上限流量计算值
q12—未自校准时流量计的精度下限流量计算值
q13—经过自校准后流量计输出的流量值
y—流量计中设定好的工艺误差数值，可设定
s1—流量计的计量精度等级数值，可输入
如果自校准的结果不能满足对工艺误差设定数值的要求，则等待流量计的瞬时流量发生变化后，再继续重复上述的自校准算法，直至满足要求为止；如果经过多次自校准算法后，仍然无法满足上述要求，流量计发出报警信号，提示该流量计出现故障或性能不达标。
所述步骤三，在联动型修正算法实施之前，需要进行上下游通讯之间的抗干扰处理；为了最大程度地降低电磁干扰对无线通讯过程中的计量仪表的影响，在计量仪表中内置电磁干扰检测算法，即：流量计通过无线通讯方式在频段1发射数据后，如果在设定的时间内检测到返回数据，则采用频段1作为流量计的工作频段；如果频段1检测返回数据的时间不满足设定要求，则流量计通过无线通讯方式在频段2发射数据，如果在设定时间内返回数据信号，则采用频段2作为流量计的工作频段；如果频段2检测返回数据的时间不满足要求，则流量计通过无线通讯方式在频段3发射数据，在设定时间范围内返回数据，则采用频段3作为流量计的工作频段；否则重复上述过程，继续下一个频段的判断，直到满足要求为止。
所述步骤四，还可根据线性插值的算法对仪表系数进行修正，即：
式中：δpmax—设计流量最大值对应的差压
δpmin—设计流量最小值对应的差压
δp—工况条件下的差压值，可通过现场的差压变送器读取
kmax—仪表系数计算最大值
kmin—仪表系数计算最小值
k—工况条件下的仪表系数
进而达到对直管段不足条件下工况计量的修正；能够很好地降低直管段不足对计量的影响，大幅度减小计量偏差，提高计量的精度和可信度。
本发明的有益效果：本发明通过对现有流量计量方法实行基于工艺的算法分析，让流量计在计量过程中可以与距离该流量计最近的上游流动介质生产或运行情况进行工艺对比，再通过流量计内的自校准功能对流量结果进行校准。然后，将现有流量计与上游流量计进行通讯互联，采用基于无线通讯协议的方式进行连接，在互通的流量计内部加装无线发射和接收模块，并在流量计的芯片层植入自我修正算法。同时，可根据工艺过程上下游直管段的不同，对仪表系数进行计算流体力学计算，得到工况条件下的仪表系数。与现有技术相比，本发明的联动型工业流量精确计量方法，能够避免流量计在设计条件与实际工作条件下的差异化带来的计量误差，并可与上下游其它计量设备互联互通，进而提高整个工业流量计量的准确度，优化上下游生产工艺，降低企业的生产成本，达到提质增效、降低能耗的目的。进而，通过提高流量计的准确性和可靠性，来提升工业自动化水平，具有巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明联动型流量计量方法的流程框图。
图2是传统计量方法下的流量计功能示意框图。
图3是联动型流量计量过程中的工艺与计量相融合的示意框图。
图4是联动型流量计量过程的自校准算法框图。
图5是流量计之间的上下游通讯示意框图。
图6是无线通讯抗电磁干扰检测算法框图。
图7是某化工企业循环水管网结构的三维示意图。
图8是图7的水管网结构的循环水管道速度分布云图。
图9是图7的水管网结构的循环水管道压力分布云图。
图10是图7的水管网结构的循环水管道纵切面等速线图。
图11是图7的水管网结构的循环水管道纵切面等压线图。
具体实施方式
详细说明本发明的具体步骤。该联动型工业流量精确计量方法包括：
步骤一、工艺算法与计量过程数据交互。本发明方法中涉及的工艺，是指产生流动介质的工艺，由工业装置产生流动介质，然后通过主管网进行流体介质的输送和分配。流量计1为设置在主管网上的流量计，用于计量工业装置所产出流动介质的质量或体积流量。在传统的流量计量过程中，流量计1计量得到的数据会直接传输给工控系统dcs(分布式计量控制系统，用于接收各个独立仪表传来的数据)，或者通过二次表(或流量计算机)传输给dcs；之后，再由dcs进行下一步的执行(如图2所示)。
根据图2可知，传统的流量计量过程中，设置在主管网上的流量计1是一个相对孤立的设备。传统计量过程使得主管网的介质流量计量的准确度和可靠性完全依靠流量计1本身的性能好坏，如果流量计1在出厂时仪表系数不准，或是在计量过程中出现了被腐蚀、传感器变形、传感器堵塞、管道内有淤积等等问题，但依然能显示并输出数据，这样将会对工业现场计量带来很大影响，轻者使得后续工艺过程受到影响，重者则可能引起重大安全事故。
在计量过程中，工业装置产生介质之前的各个工艺环节的数据，可以传输到流量计1中。如图3所示，配料设备1、配料设备2、配料设备3的计量数据均可被流量计1获取。由于工业现场配料复杂,不同工艺所采用的配料也不同；配料计量如果是固体物料,则采用称重法计量重量单位，如果是气体或者液体物料，则采用流量计或者称重设备进行计量。
流量计1获取各个配料计量装置数据的方法有两种：
(1)在各配料计量装置中设置无线发射接收模块，在流量计1中设置无线发射接收模块；流量计1通过无线模块可以分别获取来自各个配料计量装置的计量数据。这种获取数据的方式，适用于各种配料变化周期小的工业现场。
(2)各配料计量装置中不设置无线模块，采用在虚拟无线发射设备中手动输入各配料设备的计量数据的方式；然后，通过虚拟无线发射设备将数据发给流量计1。这种数据获取方式，适用于配料变化周期大或配料基本不变的工业现场。
流量计1获取各个配料计量装置的计量数据之后，可以对获得的各组数据依据现场的工艺条件进行工艺计算分析(工艺计算分析来源于介质发生装置的化学和物理反应过程.且不同介质发生装置所进行的反应也不同)。例如：现在配料设备1的计量数据显示配料1有a，配料2有b，配料3有c；故工业装置中的介质产生关系为(以简单关系为例)：a量的配料1+b量的配料2+c量的配料3＝d量的介质。此时，工业装置的效率为η，则从工业装置出来的介质理论上应为：η×d的量。
以此类推，如果配料1、配料2、配料3的计量数据减半，且工业装置效率不变，则从工业装置出来的介质理论上为：0.5×η×d的量。
完成上述工艺计算分析之后，流量计1本身已经有了计量的理论数据，该理论数据即为下一步数据处理与输出的依据。
步骤二、联动型计量过程的自校准。流量计1在获取配料计量装置的数据之后，会与现有自身的计量数据进行比对；然后判断是否与理论的计量数据一致，如果一致或者误差在允许范围之内，则可以认定计量结果可信。如果误差超出允许范围，则需要流量计1在计量过程中进行自校准。
自校准首先要有基准数据，基准数据来源于流量计1经过工艺分析以后产生的理论数据；其次，自校准要有校准的判断依据，该判断依据源于对误差的设定。一般而言，对于不同原理类型的流量计，误差要求不同，但总体上来说，误差要求不大于1.0％(科氏力质量流量计一般要求0.5％以内，标准差压流量计要求1.0％以内，电磁流量计要求0.5％以内，超声流量计要求1.0％以内)。具体的误差可以在每一个工业现场，根据具体需求来进行误差上限的设置。
本发明的自校准算法示意图如图4所示。以流量计1为例进行说明，在实际计量过程中，流量计1有自己的精度等级，此处假设流量计1的精度等级为s。在未校准之前，流量计1根据自己的计量原理测得的主管网流量为q10；而加入精度等级之后，流量计1在该工况的上限流量为q11＝q10×(1+s1)，流量计1在该工况的下限流量为q12＝q10×(1-s1)。并在自校准中设定工艺误差要求，假设设定的误差要求为y，则流量计1根据自己的精度及工艺误差要求开展自校准过程，具体校准算法为：
同时要求满足：
式中：q1—经过工艺算法的理论计量数据
q10—未自校准时的流量计1的瞬时流量
q11—未自校准时流量计1的精度上限流量计算值
q12—未自校准时流量计1的精度下限流量计算值
q13—经过自校准后流量计1输出的流量值
y—流量计1中设定好的工艺误差数值，可设定
s1—流量计1的计量精度等级数值，可输入
如果式(1.2)不能得到满足，则等待流量计1的瞬时流量发生变化后，再继续重复上述的自校准算法，直至满足要求为止。如果经过多次自校准算法后，仍然无法满足上述要求，流量计1则发出报警信号，提示该流量计出现故障或性能不达标，无法正常用于主管网流量的计量。
步骤三、上下游通讯及联动型修正算法。本发明方法中提到的上下游通讯中的上下游，是指工艺生产中的上下游关系。联动型修正算法特指流量计之间的修正算法，不包含流量计与工艺介质发生端(管道内流体产生端，在本发明中可认为是图1的工业装置)。
需要特别说明的是，在联动型修正算法实施之前，需要进行上下游通讯之间的抗干扰处理。传统的计量仪表到dcs系统一般采用有线通讯的方式，所以受到周围的干扰较小。而上下游通讯采用无线通讯方式之后，受到周围干扰会大一些，主要的干扰为电磁干扰。所以，为了最大程度地降低电磁干扰对无线通讯过程中的计量仪表的影响，在计量仪表中内置了电磁干扰检测算法。该算法的逻辑框图如图6所示(以流量计1为例进行说明)：流量计1通过无线通讯方式在频段1发射数据后，如果在设定的时间内检测到返回数据(该设定时间可根据不同工业现场在程序中进行修改)，则采用频段1作为流量计1的工作频段，通讯流程如时序1所示；如果频段1检测返回数据的时间不满足设定要求，则流量计1通过无线通讯方式在频段2发射数据，如果在设定时间内返回数据信号，则采用频段2作为流量计1的工作频段，通讯流程如时序2所示；如果频段2检测返回数据的时间不满足要求，则流量计1通过无线通讯方式在频段3发射数据，在设定时间范围内返回数据，则采用频段3作为流量计1的工作频段。否则重复上述过程，继续下一个频段的判断，直到满足要求为止。并且，如果流量计1能完成上述其中某一个时序过程，则认为其通讯过程的抗电磁干扰能力达标。
根据图5所示的流量计之间的上下游通讯示意图可知(同样以流量计1为例进行上下游通讯的说明)，流量计1经过其上游工艺的自校准后会输出无线的流量数值q13。用户1对应的分管网1安装流量计2，流量计2的流量数据会通过无线模块传输到相邻的三个流量计，即：流量计1、流量计3和流量计4均可接收到流量计2的流量数值；分管网2安装流量计4，流量计4的流量数据通过无线模块可传输给流量计1、流量计2和流量计3；分管网3所安装的流量计3的流量数据，通过无线模块可传输给流量计1、流量计2和流量计4。上下游的通讯，是联动型计量中修正算法的基础，同时打破了传统流量计量过程的信息孤岛模式。
流量计1经过自校准后的流量输出值为q13，默认该数值为主管网的准确流量计量数据；并以此为依据，开展流量计2、流量计3和流量计4之间的联动型修正算法。
流量计2的精度上限计算数值为：q21＝q2×(1+s2)；流量计2的精度下限计算数值为：q22＝q2×(1-s2)。其中，q2为流量计2修正前的流量计量值，s2为流量计2的精度等级。
流量计3的精度上限计算数值为：q31＝q3×(1+s3)；流量计3的精度下限计算数值为：q32＝q3×(1-s3)。其中，q3为流量计3修正前的流量计量值，s3为流量计3的精度等级。
流量计4的精度上限计算数值为：q41＝q4×(1+s4)；流量计4的精度下限计算数值为：q42＝q4×(1-s4)。其中，q4为流量计4修正前的流量计量值，s4为流量计4的精度等级。
修正算法需要满足如下条件：
q22+q32+q42≤q13≤q21+q31+q41(1.3)
q31+q41≤q13-q22(1.4)
q41≤q13-q22-q32(1.5)
公式(1.3)～(1.5)表明在联动型流量计量过程中，下游流量计2、流量计3和流量计4的精度下限计算数值的总和，不能大于总管网流量计1的自校准后输出值；且精度上限计算数值总和，不能小于总管网流量计1的自校准后输出值；即：流量计1的自校准后输出值介于下游三个流量计的上下限之间。
修正算法的实现顺序按照主管网紧邻的分支管网顺序进行。上述三个修正算法条件在流量计2、流量计3和流量计4中均会出现。如果上述修正算法不满足，则等待流量计的瞬时流量变化后再次重复上述修正算法，直到满足要求为止。如果其中一个流量计经过多次修正不满足要求，则该流量计发出报警信号，提示流量计故障或不满足现场计量要求。
步骤四、针对上下游直管段的工况计量修正。能够理解的是，在实际操作流程方面，步骤四应该是与步骤三同步进行的；为了便于理解，故将步骤四单列出来。传统的计量过程中，提供的计量仪表系数均为在理想状态下得出的仪表系数，并不能反映工业现场的真实情况，尤其是在上下游直管段长度不足的工业现场。本发明针对上下游直管段长度不足的工业现场情况，进行工况计量修正，将工况条件下的仪表系数作为工业现场计量依据，从而大幅度提高流量计量的可靠性。
为了更详细地描述上下游直管段的工况计量修正，以流量计1为例，假设流量计1为差压类节流装置；对不可压缩流体，差压类流量计的流量计算公式为：
式中：qm—管内流体质量流量
c—节流装置对应的流出系数，与结构参数运行参数有关
d—节流装置对应的节流孔直径
β—节流装置开孔与上游管道内径之比
δp—流体流经节流装置时所产生的差压值
ρ—流体流经节流装置时的密度
考虑到流体的可压缩性后，差压类流量计流量计算公式如式(1.7)所示：
其中，ε—流体的可膨胀系数，以等熵膨胀的热力学通用方程为依据。
在传统条件下，将流出系数及可膨胀系数两个变量分别作为研究的重点。介质可膨胀系数通过公式计算可得，流出系数通过实验得到，但是实验的条件均是在直管段充足的圆管内、充分发展的流场中所进行的。这也导致当现场条件不能满足实验环境下的直管段要求时，最终的流量计量结果是不准确的。
本发明方法提出的上下游直管段的工况计量修正，重点在于解决流量计的仪表系数问题，使得计量更加精确可信。以差压式流量计为例，将公式(1.7)进行改写后可得到如下的公式：
其中，d—流体流经的管道内径。
在上式中，管内流动的流体确定后，其在一定温度压力下的密度是已知的，一旦节流装置的几何尺寸确定，则其管道内径d、节流装置开孔与上游管道内径之比β均已确定，变量为差压δp、流出系数c及可膨胀系数ε。
进一步将式(1.8)进行改写，则可得到式(1.9)：
其中，k—节流装置在工况条件下的仪表系数，其表达式为：
上下游直管段的影响，需要结合上下游直管段前部和后部的阻力结构来进行分析。通过对上下游直管段的分析，可以将上下游直管段对流量的影响综合到仪表系数k之中。该系数反映了工况条件下的真实仪表系数，而差压的数据可以通过对流体分析的结果中进行提取获得。这也就可以建立工况条件下的流量与差压的真实函数关系式。需要指出的是，计算流体力学目前还不能完全在线进行，所以对直管段的修正需要在安装流量仪表之前预先做好直管段不足条件下的流体力学分析，将数据库提前植入针对上下游直管段不足的修正算法中。
下面以某化工企业现场的循环水计量为例，对上下游直管段的工况计量修正过程进行阐述。某化工企业在循环水的计量过程中直管段总长度为3.2d，直管段上游结构为蝶阀，下游结构为单弯头，上游直管段长度为2.1d，下游直管段长度为1.1d，其结构如图7所示。如果直接按照公式(1.6)计算的话，需要直管段满足上游10d、下游5d的要求，才能采用公式中的流出系数；然而，该工业现场无法达到直管段要求，如果继续采用公式(1.6)，将产生明显的计量偏差。
故为了提升计量的精确程度，采用计算流体分析方法对该循环水的管网预先进行流场分析，分析结果如图8～11所示(图8为循环水管道速度分布云图，图9为循环水管道压力分布云图，图10为循环水管道纵切面等速线图，图11为循环水管道纵切面等压线图)。从各图中可知，由于直管段严重不足，导致流体经过流量计后下游的流场发生明显变化，进而影响了下游压力的变化，所以导致了此处的差压值与理想状态下的差压值产生较大变化。根据公式(1.9)可知，当差压值变化后，为了保证流量不变，仪表系数将发生变化。
工况条件下的差压变化和仪表系数变化与理想状态下的对比结果，如表1所示。通过表1即可对理想状态仪表系数进行修正。并且，通过表1可知，如果不对工况条件下的仪表系数进行修正，将使计量结果比管道内的实际流量缩小5％以上。
表1工况计量与理想计量数据对比表
采用表1中的工况仪表系数k参与到流量计算公式(1.9)中，能够很好地降低直管段不足对计量的影响，大幅度减小计量偏差，提高计量的精度和可信度。如果在实际操作中的流量处于表1中的某一个范围内，可根据线性插值的算法对仪表系数进行修正：
式中：δpmax—设计流量最大值对应的差压
δpmin—设计流量最小值对应的差压
δp—工况条件下的差压值，可通过现场的差压变送器读取
kmax—仪表系数计算最大值
kmin—仪表系数计算最小值
k—工况条件下的仪表系数
进而达到对直管段不足条件下工况计量的修正。上述的修正算法通过程序置入各流量计算法之中，当直管段不满足要求时，即可执行。