专利名称：大量程比差压式微机流量计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种由微机控制的大量程比差压式流量测量装置。
测量流体流量的装置和系统通常涉及到两项重要指标一是精确度；二是测量范围度，亦即量程比，长期以来，使用节流装置对流体流量进行测量。节流装置一般包括孔板、喷咀和文互利管，它安装在流满流体的管道中。由于流体流过节流装置时，流通面积急骤减小，于是在节流装置的上、下游立即产生一个静压差ΔP，再由差压变送器予以测量。而流过节流装置的质量流量qm由下面基本方程式确定qm=π4·α·ϵ·d2·2ΔP·ρ----(1)]]>体积流量为qv＝ (qm)/(ρ) (2)式中α－流量系数ε－流束膨胀系数d－节流装置开孔直径ρ－流体密度。
一直沿用的做法是把α、ε近似为一恒定参量，令qm＝K.ΔP.ρ这样只要测出静压差ΔP和知道流体密度ρ，便可得到流量大小。
这种节流装置早在1932年，就由当时的国际标准化组织联合(ISA)承认，其结构型式一直沿用到今。
使用节流装置的差压式流量计，测量结果由基本公式(1)确定，但其量程范围较窄，通常量程比最大只能达到31，其中3是最大量程数，1则是最小量程，而影响其量程比的主要因素有以下几点1、基本公式(1)中的流量系数α，随量程比增加而变化，因而带来附加误差。
2、基本公式(1)的流束膨胀系数ε，随量程比增加而变化带来的附加误差。
3、由基本公式(1)中不难看出，MαΔP，由于流量M与差压ΔP的方根成正比，因此当被测流量小于最大流量的30％，也即差压变送器工作在差压量程低端时，差压变送器的基本误差引起的流量误差将成倍增加，例如，当被测实际流量为最大流量的10％时，根据基本公式(1)得知，实际差压应为最大差压的1％，如所选用差压变送器基本误差为±0.5％，则测量出的差压可能值为1％±0.5％，即在0.5％～1.5％之间，其所对应的流量测量结果就是7.07％～12.25％，与实际值的最大误差达2.93％。
本实用新型的目的是设计一种具有在线计算功能的，可进行大量程比测量的高精确度的差压式微机流量计。
为此，本实用新型采用的具体结构如下所述它由节流装置(1)、差压变送器(2)、量程自动切换装置(3)、压力变送器(4)、温度变送器(5)和流量计算机(6)组成。其中节流装置(1)安装在被测管道上，管道中流体流经节流装置(1)时所产生的压力差ΔP由两根引压管送入差压变送器(2)，使其输出电信号并送至量程自动切换装置(3)，再将其输出的信号送到流量计算机(6)。此外，量程自动切换装置(3)的量程切换还受到流量计算机(6)的控制。压力变送器(4)和温度变送器(5)均安装在管道上，以便检测管道内的流体压力P和温度t，从而使压力变送器(4)和温度变送器(5)输出与流体压力P和温度t相应的电信号，并将其送至流量计算机(6)。
上述的量程自动切换装置(3)包括运算放大器OP07、模拟开关CD4052、锁存器74LS373、13个电阻R1～R13、8个电位器W1～W8和1个二极管D1。差压信号的正输入端(＋)经R3，负输入端(－)经R2后分别接OP07的第3、第2脚，正输入端(＋)与负输入端(－)间并接入R1，且负输入端(－)接地，OP07的第6脚为量程自动切换装置的输出端。第4、3脚分别接－12、＋12V。CD4052的第11、12、14、15脚分别经电阻R13、R12、R11、R10后与电位器W8、W7、W6、W5的各中心抽头并接一起后接OP07的第6脚。R5一端接－12V，其另一端与D1正极相联，D1负极接地，R6～R9一端分别接电位器W1～W4的一端，其另一端均接地，W1～W4另一端并接后与D1正极相联，W1～W4中心抽头依次接CD4052的第1、2、4、5脚，CD4052第3脚经R4接OP07第3脚，CD4052第13脚接OP07第2脚，74LS373第16、15、19脚分别接CD4052第10、9、6脚。上述的流量计算机(6)由A／D模数转换器(20)、CPU中央处理器(21)、PIO接口(22)、CTC定时器(23)、键盘显示单元(24)、EPROM存贮器(25)和RAM存贮器(26)组成。其中A／D模数转换器(20)、CPU中央处理器(21)、PIO接口(22)、CTC定时器(23)、EPROM存贮器(25)和RAM存贮器(26)的数据线、地址线、控制线分别与数据总线、地址总线、控制总线相联而构成一个整体，PIO接口(22)则与键盘显示单元(24)相联。
在量程自动切换装置(3)中，OP07是运算放大器，其中2脚为反相输入端，3脚是正向输入端，输入的电流信号经R1变成电压信号分别通过R2、R3送到2、3脚，6脚为输出端。OP07输出端6脚和反向输入端2脚之间联接有四路反馈网路，每一路都由1个电位器和1个电阻串联而成。在工作状态时，由CD4052模拟开关控制，只有一路接通。接通不同的网路就对应不同电路放大倍数，以此实现量程的自动切换。此外，OP07的3脚通过R4和CD4052的另一组四选一开关相联，并和四个零位调节电路接通，此四个零位调节电路都分别由1个电位器和1个电阻分压。此四条电路在工作时只有一路接通。外部输入的三个信号由17、18、14脚进入，经74LS373锁存器分别送到CD4052四选一模拟开关的10、9、6脚，以实现对CD4052的控制。另一种方案也可使CD4052的10、9、6脚直接与PIO接口(22)相联。
为了实施在线计算，本实用新型采用了流量计算机(6)，其计算程序结合图4说明。
1、由A／D转换器在线采集t、p。
2、在线采集ΔP3、判别需要切换差压变送器量程否？是则切换量程后返回，重新采集ΔP。
4、由t、P、ΔP现场实际工况值计算d、D、β、η、Z、n。
5、计算工况下介质密度ρ。
6、计算工况下流束膨胀系数ε。
7、由于α＝f(ReD)；ReD＝f(M)，而M＝f(α)显然ReD和α无法直接代入求出。故采用迭代法逐次逼近求解ReD和α。
8、求解瞬时流量M。
9、求解累积流量∑M。
10、返回，重复以上过程。
由上所述，本实用新型是一种智能化的全参数补偿流量仪，所谓全参数补偿具体地讲就是1、对全部工况变量，即温度t、压力P，雷诺数ReD引入的误差都进行补偿；2、对流量基本方程式中的全部中间变量α、ε、d、β、ρ等都进行补偿，此处的β是节流装置(1)开孔直径d和管道内径D的比值；3、对t、P、ReD(M)的全部变化范围都进行补偿。
这就是说，所采用的流量计算机(6)实质上是一台在线的流量计算机，因此能对扩大量程比，扩展流量M的使用上、下限后的α、ε实时进行在线计算，全部误差都通过在线计算予以根除。
本实用新型中的量程自动切换装置，不但采用了稳定度高的OP07芯片作为运算放大器，而且选用模拟开关CD4052控制电路的工作状态，保证四路反馈网路只有一路接通。而不同的网路又对应不同的电路放大倍数，从而达到自动切换量程的目的。由上述得知，现有技术最大量程比n＝3，此时流量范围为30％～90％Mmax，经计算，流量的30％对应差压的9％，使用0.25级差压变送器引入的流量极限误差为0.42％，本实用新型当选用相应的差压变送器，则可切换四档量程，量程比n最大可达10，其极限误差亦不超过0.218％，低于原n＝3时的极限误差。
以最简单的切换二挡差压量程为例。其切换的流量分界点是30％，差压分界点为9％。例如低于分界点时切向1KPa挡；高于分界点时则切向10KPa挡，此时极限误差为0.42％，如切换三挡则极限误差可减少为0.23％，也即切换挡次愈多，残留误差愈小。
总之，本实用新型由流量计算机(6)控制切换差压变送器(2)量程，使量程比n最高可达10，采集差压ΔP、压力P和温度t信号的同时，完成流量系数α，流束膨胀系数ε，介质密度ρ等在线计算，从而得到精确的流量测量结果。
图1为本实用新型方块结构图。
图2为量程自动切换装置(3)电路原理图。
A5、A6、A7均为数据输入线。
图3为流量计算机(6)结构示意图。
流量计算机(6)也可以由8048、8051、8098单片机构成，或者由Z80、6800、8080系列单片机构成，或者用STD工业控制计算机实现。
图4为计算流程图。
其中η－流体粘度Z－压缩系数n－等熵指数ρ－流体密度ρ0、T0－分别代表流体在标准状态下的密度、温度差压变送器(2)采用DBC型或1151型差压变送器；压力变送器(4)采用DBY型或EPR－75型压力变送器；温度变送器(5)则选用DBW型。
权利要求1.一种测量管道内流量的差压式流量计，是由节流装置(1)和差压变送器(2)组成，其中节流装置(1)安装在被测管道上，本大量程比差压式微机流量计的特征在于，它增加了量程自动切换装置(3)、压力变送器(4)、温度变送器(5)和流量计算机(6)管道中流体流量经节流装置(1)时产生的压力差ΔP送入所述的差压变送器(2)，使其输出电信号并送至量程自动切换装置(3)再将其输出的信号送到流量计算机(6)，量程自动切换装置(3)的量程切换还受到流量计算机(6)的控制，压力变送器(4)和温度变送器(5)均安装在管道上，以检测管道内的流体压力P和温度t，从而使压力变送器(4)和温度变送器(5)输出与流体压力P和温度t相应的电信号，并送至流量计算机(6)。
2.根据权利要求1所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的量程自动切换装置(3)包括运算放大器OP07、模拟开关CD4052、锁存器74LS373、13个电阻R1～R13、8个电位器W1～W3和二极管D1，差压信号的正输入端(＋)经R3，负输入端(－)经R2后分别接OP07的第3、第2脚，正输入端(＋)与负输入端(－)间并接入R1，且负输入端(－)接地，OP07的第6脚为量程自动切换装置(3)的输出端，CD4052的第11、12、14、15脚分别经电阻R13、R12、R11、R10后与电位器W8、W7、W6、W5的一端相联，W8、W7、W6、W5的各中心抽头并接一起后接OP07的第6脚，R5一端接－12V，其另一端与D1正极相联，D1负极接地，R6～R9一端分别接电位器W1～W4的一端，其另一端均接地，W1～W4另一端并接后与D1正极相联，W1～W4中心抽头依次接CD4052的第1、2、4、5、脚，CD4052第3脚经R4接OP07第3脚，CD4052第13脚接OP07第2脚，74LS373第16、15、19脚分别接CD4052第10、9、6脚。
3.根据权利要求1所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的流量计算机(6)由A／D模数转换器(20)、CPU中央处理器(21)、PIO接口(22)、CTC定时器(23)键盘显示单元(24)、EPROM存贮器(25)和RAM存贮器(26)组成，其中A／D模数转换器(20)、CPU中央处理器(21)、PIO接口(22)、CTC定时器(23)、EPROM存贮器(25)和RAM存贮器(26)的数据线、地址线、控制线分别与数据总线、地址总线、控制总线相联而构成一个整体，PIO接口(22)则与键盘显示单元(24)相联，由A／D模数转换器(20)在线采集t、p，在线采集ΔP；判别需要切换差压变送器(2)量程否，是则切换量程后返回，重新采集ΔP。
4.根据权利要求1、2、3所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的量程自动切换装置(3)中CD4052第10、9、6脚或者直接与PIO接口(22)相联。
5.根据权利要求3所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的流量计算机(6)或者由8048、8051、8098单片机构成，或者由Z80、6800、8080系列单片机构成，或者用STD工业控制计算机实现。
6.根据权利要求1所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的差压变送器(2)采用DBC或1151型差压变送器。
7.根据权利要求1所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的压力变送器(4)采用DBY型或EPR－75型压力变送器。
8.根据权利要求1所述的大量程比差压式微机流量计，其特征在于，所述的温度变送器(5)采用DBW型。
专利摘要一种由微机控制的大量程比差压式流量测量装置。包括节流装置、差压变送器、量程自动切换装置、压力变送器、温度变送器和流量计算机，量程自动切换装置选用稳定度高的运算放大器并以模拟开关控制电路工作状态，保证四路反馈网路只有一路接通，而不同网路对应不同的电路放大倍数，从而可自动切换量程。量程比最高可达10。流量计算机保证对流量系数等进行在线计算，大大提高流量测量结果的精确度。
文档编号G01F1/34GK2105670SQ90218968
公开日1992年5月27日 申请日期1990年9月10日 优先权日1990年9月10日
发明者李砚清, 俞京 申请人:天津市自动化仪表十厂