高精度标准气体流量测控仪设计

　　1　引　　言

　　气体流量的测量与控制在石油、化工、电力、冶金、食品、轻工等行业具有广泛的应用。传统的工业流量测控仪表只能对气体的瞬时流量进行测控,测控 精度普遍较低。本文以8098单片机为智能测控核心,设计了一种高精度标准气体流量测控仪:利用单片机硬件资源中的HSI部件精确测量由涡街流量传感器输 出的代表气体瞬时流量的脉冲信号,同时利用A/D转换部件测量气体在当时工况下的压力和温度,然后由软件根据理想气体方程计算出对应的标准状态流量,经调 节后,由HSO部件输出控制信号,从而精确控制气体的流量。

　　2　气体流量测量原理

　　2.1　瞬时流量测量原理[1～2]

　　涡街流量计原理如图1所示。

　　当流体流经旋涡发生体时,就会在其下游两侧产生两列有规律的卡门涡街,其频率正比于旋涡发生体两侧的流体流速:

　　其中, F为涡街频率(Hz),d为旋涡发生体宽度(m),u1为旋涡发生体两侧的流速(m/s),St为斯特罗哈常数。

　　流量Q(m3/s)定义为:

　　其中,k为流量计系数(1/m3),k=4St/[πD2d·(1-1.25d/D)]。

　　从式(5)可知,流量Q与旋涡的频率F成线性关系,只要测量出旋涡的频率F就能求得流过流量计管道流体的体积流量Q。

　　2.2　标准状态下的体积流量测量原理

　　对于气体来说,上述测量结果是工况条件下的实际体积流量。但是,如果温度、压力不同,相同体积气体包容的真实量却大相径庭。因此计量气体必须有 一个统一的尺度,那就是气体的质量或标准条件下(20℃,1个大气压)的体积流量。本文用下列数学模型将工况条件下的体积流量转换成标准流量。

　　经典理想气体方程为:

　　3　测控仪硬件设计[3]

　　由传感器检测到的压力、温度、流量信号经过光隔、整形、I/V转换、放大等环节调理为标准电信号,然后输送到8098的A/D端和HSI端,经CPU处理后,显示、打印、输出控制。测控仪系统结构见图2。

　　8098单片机硬件资源中具有2/4路HSI、4路A/D、4/6路HSO,因此不须任何扩展就可实现对两路气体流量的测控,并由其中的四路HSO输出两路气体的温度、压力越限告警信号。

　　4　测控仪软件设计

　　系统软件采用结构化、模块化设计方法,主要由信号采集与处理模块、控制信号输出模块、键盘/显示器管理模块、打印报警模块等组成。

　　5　结束语

　　本文分析了标准气体流量的测量原理,并充分利用8098单片机的硬件资源设计了一种高精度标准气体流量测控仪。实际运行结果表明,系统结构简单、测控精度高。