科里奥利质量流量计的设计与实现.pdf
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华中科技大学硕士学位论文科里奥利质量流量计的设计与实现姓名:
陈善文申请学位级别:
硕士专业:
机械电子工程指导教师:
喻道远20060425华中科技大学硕士学位论文I摘要70年代初期,随着现代工业的飞速发展,在传统的流量测量方法无法满足要求的情况下,出现了直接质量流量测量仪表科里奥利质量流量计。
它的出现使得流体的测量技术有了根本性突破,但仍然存在着诸多缺点。
如该流量计对噪声特别敏感、管子的振动频率易受流体密度等因素的影响以及测量精度受处理方法的影响等。
本文首先介绍了科里奥利质量流量计的原理及其研究现状,阐明了本课题研究所需要解决的问题;接着对于本文所采用的理论依据随机函数相关性理论作出详细说明,并概述了对于课题中采用的DSP芯片的特性;然后介绍了本系统的软硬件设计中的关键技术以及调试中的心得体会,最后展望了本课题的发展前景。
文中提出了以美国德州仪器公司的高性能数字信号处理芯片为核心的实时信号处理系统,实现对于传感器信号的频率、相位差的精确计算,根据系统固有振荡频率计算出流体的流速,进而计算出流体的质量流量。
采用了自相关、互相关、周期平均、抛物线拟合等算法,对从测量管采集的上下游流体的信号进行分析。
针对影响科里奥利质量流量计测量精度和稳定性的几个因素进行相关处理,有效减小了振动、工作压力、电磁干扰等对测量精度和稳定度的影响。
改进算法,优化代码,保证了系统的信号处理速度及系统对实时性的要求。
仿真及在项目提供方沙洋仪表厂现场整机试验的结果表明,本文所研究的方法和研制的系统是可行的、有效的、可靠的。
关键词:
科里奥利质量流量计随机信号自相关函数互相关函数DSP华中科技大学硕士学位论文IIAbstractIninitialstageoftheseventies,withthedevelopmentatfullspeedofmodernindustry,underthesituationthatmeasurementmethodcantmeetthedemands,appeardirectmassflowmeasureinstrument-Coriolismassflowmeteronthedepartmentintraditionalflow.Itsappearancemakesthemeasurementtechnologyofthefluidhavefundamentalbreak-through,butagreatdealofshortcomingsstillexists.Iftheflowmeterisparticularlysensitivetonoiseandvibrationfrequencyofpipelineinfluencebyfactorssuchasthefluiddensity,etc.andmeasurementprecisioninfluencebytreatmentmethodetc.ThistexthasintroducedtheprincipleofCoriolismassflowmeterandresearchcurrentsituationinthedepartmentatfirst,haveexpoundedtheproblemtobesolvedofresearchinstituteofasubject;Thentothetheoreticalfoundationthatthistextadopts-Randomfunctionrelevancetheorymakeindetailexplaining,sumuptoDSPcharacteristicofchipthatsubjectadopt;Introducesoftwareandhardwarekeytechnologyandgainsindepthofcomprehensiondebug,ofdesignofsystemthis,lookedforwardtothedevelopmentprospectofthissubjectfinally.Haveproposeddealingwiththechipinthearticleasthecentralreal-timesignalprocessingsystemwiththedigitalsignalofhighperformanceoftheinstrumentcompanyofTexasInstrumentofU.S.A.,realizethebadaccuracytothefrequencyofthetransducersignal,phaseplaceiscalculated,calculatethevelocityofflowofthefluidaccordingtotheinherentoscillationfrequencyofthesystem,andthencalculatethemassflowofthefluid.Haveadopteditfromself-relation,Correlation,cycleaverage,suchalgorithmsastheparabolafit,toanalyzingfrommeasuringthesignalofvisitingthefluidfromheadtofootthatisinchargeofgathering.ToinfluencedepartmentCoriolismassflowmetermeasureprecisionandseveralfactorofstabilitycarryonrelevanttopunish,havereducedinfluenceonmeasuringtheprecisionandstabilitydegreesuchasvibration,workingpressure,interferingwithelectromagneticallyeffectively.Improvealgorithms;optimizecodes,thesignalprocessingspeedsofthesecuritysystemandrequirementforreal-timecharacterofthesystem.Simulationandprojectsprovider-ShaYangInstrumentFactorythewholesetsofexperimentalshowedthattheresearchmethodologyandthedevelopmentofthissystemisfeasible,effectiveandreliable.Keyword:
CoriolisMassFlowMeterRandomSignalSelf-relationFunctionCorrelationFunctionDigitalSignalProcessor独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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年月日日期:
年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1引言流过一定截面的流体体积或质量与时间之比称为通过该截面的流量,其中,体积与时间之比,称为体积流量;质量与时间之比,称为质量流量。
用来测量流体流量的装置称为流量计【1】。
流量与温度、压力的测量共同构成工业测量领域的三大参数测量,并且同国民经济息息相关。
国际质量标准ISO9000的实施对各种流量测量提出了更高的要求,其中测量的精度、可靠性、方便性和流量测量的手段都成为流量测量中的关键问题【2】。
质量流量的测量方法分为直接法和间接法两大类。
直接法是直接检测与质量有函数关系的量以求得质量流量;间接法又称推导法,它是用测得的体积流量乘以流体密度而求得质量流量,而体积流量会受到压力、温度、粘度与密度等因素的影响且测量标定过程十分繁琐,因而给测量结果带来较大误差。
但质量是一个恒量,它不受温度、压力、密度、粘度等因素的影响。
在工业生产、商品交易、内部核算、物料平衡及国际贸易等方面准确的质量计一向是十分必要的。
石油、化工、航天、电力、造纸、食品、制药等行业,对其流量的检测和控制,只有质量流量值才有意义,所有这些,导致了直接测得流量质量的质量流量计的研制和开发。
1.2国内外研究现状及本课题研究的背景随着科学技术的发展,科技工作者试图利用力学、热学和光学的各种效应来实现检测质量流量的目的,自50年代以来,已经研制出许多形式的质量流量检测装置。
1954年,V.A.Orando做成了“角动量式质量流量计”;1955年,J.O.Kiman做成了“旋转式质量流量检测装置”;1960年,C.M.Halsell做成陀螺式质量流量计;1964年,Dijeck利用马格努斯效应,做成了差压式质量流量计;1972年,法国Raymond研究了能校正介质特性的双涡轮流量计;到了70年代中期,美国Fish-Rosmount公司的子公司Micromotion公司率先开发出谐振式科里奥利质量流量计(CoriolisMassFlowmeter,CMF),并于1982年申请专利并投放国际市场。
此后,世界各国都相继对这种新型质量流量计进行研究与开发,美国、德国、丹麦、日本等10余家知名公司都开发出了这种产品。
同时德国、华中科技大学硕士学位论文2英国、意大利、美国、日本等国的多所高校也加入了研究行列。
经过近二十年的发展,这种质量流量计的测量性能有了很大的提高,成为了质量流量计中的佼佼者。
科里奥利质量流量计具有其它流量计无可比拟的优点【3】:
(1)其抗腐蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已经满意地得到解决,因此可以测量范围广泛的介质,如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的物体。
(2)管道内无障碍物,无可动部件,故障因素少,便于清洗、维护和保养。
(3)安装简便,各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装:
调整、使用方便,不必配置进出口的直管段。
(4)能较容易地测量多相流体。
(5)多参数测量,在测量质量流量的同时,可以同时获取体积流量、温度及密度等;对于影响量,如压力、温度、密度和粘度以及流速分布等不敏感。
基于以上优点,科氏质量流量计成为目前研究最多、最有前途的直接式质量流量测量仪器,市场需求量也越来越大。
据统计,世界范围内装用量1991年估计在11-13万台,1992-1993年间欧洲市场容量约8000-10000台,约为5000万英镑/年,1995年全球范围流量仪表销售30亿美元,其中CMF为2.35亿美元,约占8;我国CMF应用起步较晚,从80年代中期引进成套装置附带少量仪表开始,到技术改造所需单台进口一定数量,至1997年CMF装用量约在3500-4500台之间。
据分析预测,本世纪的头几年间,CMF在国内市场的年平均增长率将达25-30%,从而逐渐与国际市场趋于一致而进入高速增长的产品成长期。
但勿庸置疑,国内的CMF绝大多数仍依赖于进口,且价格昂贵,一般为5000-10000美元/台,150mm管径的高达30000美元/台。
国外厂商在CMF的技术方面占据绝对优势,少数真正掌握CMF设计原理和技术,尤其是其核心技术即流量管传感器设计原理和技术的公司都对其极端保密,实行严格的技术垄断,这也正是CMF产品至今仍保持高附加值的原因所在,且这种状况还将继续。
目前市场上的科氏流量计基本上是采用模拟方法处理流量计一次仪表的输出信号,即将流量计位置检测器的输出信号变成电脉冲信号,再同时驱动机械计数器的方法计算两路信号的时间差。
这种方法很容易受到噪声的干扰,测量精度也受到较大的限制。
一般科里奥利质量流量计零点稳定度的值非常小,当流量大时,零点稳定度对仪表的固定偏差影响很小,然而在小流量(低流速)时,作用就很明显。
科里奥利质量流量计是集现代高科技之大成的产物。
据有关专家预测,此类流量计将逐步成为本世纪测量流量最主要的手段之一,本文所论述的方法作为一种实用新型、高精确度、重复性较佳的处理方法,如果能够得到推广和使用,必将进一步促进此类流华中科技大学硕士学位论文3量计的发展。
国内类似流量计的精确度仅能够达到0.5%,如果在油田等流量较大的应用场合,按照流量为2吨/秒来计算,每天误差高达上百吨。
在考虑到有部分正负超差相互抵消的情况,每年也有近千吨石油差值无法核销。
因此,提高流量计的测量精确度迫在眉睫。
基于互相关理论的质量流量计要求进一步提高精确度,达到0.3%以下【4】。
目前市场上的科氏流量计基本上是采用模拟方法处理流量计一次仪表的输出信号,即将流量计位置检测器的输出信号变成电脉冲信号,再同时驱动机械计数器的方法计算两路信号的时间差。
这种方法很容易受到噪声的干扰,测量精度也受到较大的限制。
美国某公司申报了离散傅立叶变换(DFT)处理科氏流量计的输出信号,并用TMS系列的DSP研制二次仪表的专利。
但是其中有些关键技术并未得到解决,如频率跟踪过程中的过零采样技术等。
日本某公司申报了用矢量分析处理科氏流量计输出信号的专利。
该方法将两路信号相加得到第三路信号,再将三路信号分别通过抗混迭滤波、放大和采样通道进入DSP,并在其中进行带通滤波及DFT,计算出相位差,进而计算质量流量。
在计算中幅值始终是一极其重要的参数,并且信号通道增多,因而引进了许多新的误差,导致需要大量的工作进行误差补偿,但又不易获得补偿参数的精确值。
而该课题对精度要求很高,因此该方法要实现存在更多的局限性和复杂性。
科氏流量计具有很多优点,因此在国内外都有广泛的研究。
质量流量计的仪表性能指标很多,最重要的指标是仪表的精确度,线性度,重复性。
重复性是指在同样操作条件下测量指示值相互靠近的程度。
一般用仪表全量程中重复测量时测量指示值的最大差值与量程的比值来表示。
线性度是指实际测量值和最佳直线间的最大偏差。
仪表的精确度是仪表最重要的性能指标。
科里奥利质量流量计一般都用带零点稳定度的流量百分比来定义精确度。
它可以看成是流量百分比精确度和满量程百分比精确度的综合体现。
零点稳定度表达了仪表测量零流量的能力。
可以看成是仪表反应系统内出现的干扰或微流量变化的能力【5】。
一般科里奥利质量流量计零点稳定度的值非常小,当流量大时,零点稳定度对仪表的固定偏差影响很小,然而在小流量(低流速)时,作用就很明显。
该流量计对噪声特别敏感,管子的振动频率易受流体密度等因素的影响,且测量精度也受处理方法的影响【6】,安装应力的影响也不可忽视,往往直接影响到测量结果的长期稳定性【7】。
华中科技大学硕士学位论文41.3科里奥利质量流量计测量原理简介科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成,其中一次仪表包括测量管、传感器和激振器,二次仪表则是一次仪表输出信号的处理系统【8】。
目前市场上科氏流量计的种类很多。
从一次仪表的结构来看,有直管、U形管、S形管、O形管、双梯形管、螺旋形管、?
形管等。
每一种形状的测量管又有单管、双管和多管之分。
每一种管形的适用场合、测量精度及价格水平各不相同。
用户可以从安装环境、清洗方式及对压力损失的要求等方面作出选择【9】。
本文所选的研究对象是双U形管。
如图11所示。
图11双U形管1.3.1科里奥利力的原理从匀速转动的参考系统来看,具有相对运动速度的物体所受到的惯性力分为两个,一个称为惯性离心力,另一个即为科里奥利力【10】。
华中科技大学硕士学位论文5图12科里奥利力如图12所示,有一个绕铅直轴匀速转动的水平圆盘,其角速度为?
,逆时针转动。
其上有一质点P,质量为m,P在以转轴O为中心,半径为r的水平圆轨道上作匀速圆周运动。
P相对圆盘逆时针转动,相对速度为*v?
。
从惯性系来看,P在以点O为圆心,r为半径的轨道上作匀速圆周运动,其速度为:
*vvr=+?
这样根据牛顿第二定律,P所受的实际合外力为:
20vFmrr=?
即*20()vrFmrr+=?
式中,0r?
是由转轴垂直指向质点的延半径方向的单位矢量。
而从圆盘参考系来看,P受到的合外力为:
*2*0vFmrr=?
这样从圆盘参考系来看,P除了实际受到的合外力外,还受到一个虚构的惯性力iF?
的作用,这样才能使牛顿第二运动定律保持成立:
*2*2*00*020()2ivvrFFFmrmrmvrmrrrr+=+=+?
由上式可知在匀速圆周运动参考系中,一个相对该参考系有相对运动速度的质点除了受到惯性力外,还要受到一个大小、方向都与相对速度有关的力的作用,这个力就成为科里奥利力,记作:
华中科技大学硕士学位论文6*02cFmvr=?
1.3.2科氏流量计的基本原理在对流体质量的测量问题上,传统的测量方法是分别测量液体的体积和密度然后计算求得,这种方法对大流量和不同密度的液体有着工作量大、可移植性不好及量程限制等不利因素。
为了适应现在对高精度、快速和可移植性的要求,产生了非接触测量方法质量流量测量法【11】。
这种测量方法能直接测量管道内流体的质量流量,它的精度和稳定度较高,量程比也比较大,其性能价格比高。
科氏流量计是基于科里奥利力的原理而设计的。
流体流过测量管时,如果测量管以某一频率振动,则振动的测量管相当于一个匀速转动的参考系,由于流体与测量管具有相对运动,所以会受到科里奥利力的作用【12】。
这个力作用在测量管的两边上方向是相反的,使测量管发生扭曲,流体的质量流量与这个扭转角是成正比的,因此只要测出这个扭转角,就可以得到流体的质量流量【13】。
流体在管道里流动时,从流体中的示踪标记可以观测出流体在通过两个固定点距离时L,流体所用的渡越时间t,进而计算出流体的流量Q,设测量管的横截面积为S,流体流过的时间是T,则流量Q为SLTQt=流量测量系统框图如图13所示。
华中科技大学硕士学位论文7滤波放大器滤波放大器A/D转换器A/D转换器相位差计算单元数据后期处理流量计算输出与显示VLX(t)Y(t)Rxy(t)图13流量测量方框图由于在测量流体流量的时候,采用非接触测量法,即流量检测元件不与被测流体相接触(传感器一般放在管子外壁),不破坏原来流体的流场,也不会造成节流压力的损失,因而节约能量。
可测介质的面广,既可测洁净液体和气体;又能测脏污流体、浆液及气固、液固两相流。
测得的流量仅与管道体积有关,故不必进行单独标定,能抑制外界输入的干扰信号,输出呈线性,精度较高【14】。
科氏流量计是基于科里奥利力的原理而设计的。
流体流过测量管时,如果测量管以某一频率振动,则振动的测量管相当于一个匀速转动的参考系,由于流体与测量管具有相对运动,所以会受到科里奥利力的作用,如图14所示。
这个力作用在测量管的两边上方向是相反的,使测量管发生扭曲,流体的质量流量与这个扭转角是成正比的,因此只要测出这个扭转角,就可以得到流体的质量流量。
二次仪表就是通过适当的测量电路和处理方法设计,测得扭转角并由此得出流体质量等参数。
华中科技大学硕士学位论文8图14科氏流量计测量管受力原理图在工作过程中,测量管以角速度?
振动,根据科氏力的原理,质量为m的流体以速度V?
沿管子流动时要受到科氏力的作用:
2cFmV=?
则U形管中,直管上一微小长度xd受到扭矩作用:
244()cppdxdMdFdmVrdmrdt=式中,r为U型管弯曲部分的半径。
因为mdmqdt=式中,mq为瞬时流量。
所以4mpdMqrdx=(1.1)对式(1.10)进行积分可得:
4mpmpMdMqrdxqrL=(1.2)式中,L为U型管直管段的长度。
在该扭矩的作用下,U形管产生扭角?
(很小),所以sMK=(1.3)式中,sK为管中的角弹性模量由式(1.1)和式(1.2)可得4smpKqrL=(1.4)U形管两边上所装的磁电传感器输出信号是正比于测量管振动速度的电压信号:
华中科技大学硕士学位论文9eBlv=或eBS=式中,B为磁场气隙磁感应强度;l为线圈导线的总长度;S为线圈所包围的面积;v为线圈和磁铁间相对直线运动的线速度;?
为线圈和磁铁间的相对旋转运动的角速度。
在某一固定的传感器中,B,L,S为确定的值,因此其输出的电压信号正比于线圈与磁场的相对运动速度。
当振动管是以一定频率振动时,其角速度按正弦规律变化,故由磁电传感器输出的信号是一正弦信号,其频率为角速度的变化频率,大小正比于角速度。
由于扭转角?
的存在,U形管的两直边通过某一点时有一个时间差。
为简便起见,取振动中心为参考点。
则此时的角速度应处于最大值,即max0maxeBS=(或maxmaxVeLLBIL=)(1.5)由式(1.3)和(1.5)可知,在U形管的两直边处安装磁电式传感器,测出其两路信号的相位差及信号的峰值,即可计算出质量流量mq【15】。
1.4本文研究的主要内容CMF属高科技产品,涉及力学、流体力学、电学和电磁学、材料学等多学科的交叉问题,研究难度大,只有综合运用以上各门学科的理论知识,进行全面、细致、深入的分析,才能把握住CMF的实质,而不应是盲目仿造国外产品,使国内的CMF水平永远落后于国外。
本文研究开发基于DSP系统的科氏流量计二次表,将自相关和互相关原理同数字信号处理(DSP)芯片结合起来应用于流量计的信号处理,计算流量信号的频率和相位差,研制实时的信号处理系统。
克服目前此类流量计信号处理方法的局限性,提高了测量精度和抗干扰能力。
本课题需要解决的问题主要包括:
(1)突破传统的测量相差与频率的方法,引入数字信号处理理论中的自相关原理与互相关原理,并与DSP芯片相结合,使得测量结果具有较强的抗干扰性和稳定性。
(2)频率测量与相差测量的精确性。
科氏流量计二次表需要对传感器的振荡频率需要精确的测量,误差小于0.01度;而相差测量的精度需要达到20nS。
如何实现高精度的测量是该课题需要解决的问题。
(3)处理方法的实时性。
流量计信号处理对实时性要求较高,而一般的数字信号处理方法较为复杂,因而造成处理时间过长,难以满足要求。
本文中采用了指令周期只有10nS的
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