一种智能流量测控仪的开发

2014-07-08彭国勋邹强强陈绪龙

机械工程师 2014年10期

彭国勋，邹强强，陈绪龙

（西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳 621000）

0 引言

随着科技的发展，人们测量流量的工具在不断地进步，流量测量技术也在不断地发展成熟。而人们在测量流量的同时，往往还需要控制流量（流速）的大小。传统的流量计量仪表流量计和控制阀是分开的，流量计读取流量值，控制阀人工调节流量的大小，但这样会造成效率低下和误差增大。结合流量测量和自动化控制技术，将流量计和测控阀重新组合，实现流量的测量和自动控制功能，成为近年来流量测量领域一场重大技术革新，智能流量测控仪将成为这个领域发展的方向。针对流量测量向自动化发展的趋势，本文提出了一种流量测量和自动控制为一体的智能流量测控仪，并经试验验证可以很好地实现其功能。

1 结构组成及工作原理

1.1 工作原理

智能流量测控仪将流量计和流量控制阀组合使用，形成负反馈系统，当流量计检测到的流量大于或小于设定值时，流量计内的单片机就会发出指令，调节测控阀的开度，使流量等于设定值。如图1 采用安装在流体管道上的流量变送器，将检测到的流量信号变送到流量积算与控制单元，该单元将收到的流量信号与设定瞬时流量进行比较的方法，得出“正偏差”、“负偏差”或“零偏差”，根据偏差的性质与变化趋势，该单元向电动执行器发出“关”、“开”或“停”的指令，从而调节流量，使之稳定在设定值上。另外可选配温度、压力等传感器与无线远程实时监控管理系统。

图1 智能流量测控仪工作原理

1.2 整体结构设计

智能流量测控仪主要由流量变送器、流量控制阀、电动执行器、流量积算与控制单元4 部分组成，根据用户的安装要求，流量测控仪中流量变送器、流量调控阀分为4种常用的组合型式：直角一体式测控仪、水平一体式测控仪、直角分体式测控仪、水平分体式测控仪。

2 流量控制阀的设计

2.1 阀芯设计

流量控制阀是用来调节流体流量大小的装置，通常由壳体和阀芯组成。阀芯上具有两个月牙形的圆孔，静阀芯固定在壳体上，动阀芯通过销钉与阀杆相连并随阀杆转动，动、静阀芯紧密接触且能相对运动，如图2。当阀门完全关闭时，静阀片和动阀片上的斜孔正处于相向位置，而后随着阀杆的转动，静动阀片之间就形成了能任意变化的两支月牙形流道，从而通过改变介质的流通截面积来调节流量。阀门从关闭至全开状态整个调节过程，只需手柄旋转90°（即1/4 圈）即可实现。

图2 流量控制阀的阀芯

2.2 设计时应注意的问题。

1）密封问题。静阀芯、动阀芯应保证紧密接触，两平面平行，防止液体从两阀芯平面渗出；下阀芯与壳体接触，通常壳体内表面加工精度不高，下阀芯与壳体接触处应加密封圈，防止流体压力过高时液体侧漏，影响流量测量的精度。

2）加工精度。应保证重要配合面的加工精度，如静阀芯上平面、动阀芯下平面和阀杆的外表面，都会产生相对运动，应保证合适的粗糙度、尺寸精度、平行度、垂直度等。例如口径50 mm，压力为32 MPa，流量为0.4～10 m3/h的压力管道静阀芯上平面、动阀芯下平面粗糙度为Ra0.1，阀杆的外表面粗糙度为Ra0.8。

3）材料选择。材料的选择应综合考虑强度、耐磨性和耐腐蚀性。阀芯材料应选择硬度和耐磨性较高的材料，例如9Cr18Mo 淬火后具有较高的硬度和耐磨性，可作为阀芯的材料，阀杆则选择304 不锈钢，在保证强度的同时防止生锈。

4）加工工序。由于阀芯要进行淬火，淬火后有热变形，所以阀芯的合理加工工序为机床加工，线切割，淬火，磨削。

5）装配。装配前要对流量控制阀的流道去毛刺，然后对通道进行清洁，以保证阀芯能水平放入壳体内。

2.3 执行器的选用

采用天津盛凯达SKD-10型执行器，最大可输出100 N·m的力矩，且该执行器免加油，免点检，防水防锈，可任意角度安装。

3 流量计的设计

3.1 流量测量的原理

流量计是根据法拉第磁电感应与卡门涡街相结合的原理设计的［5］，如图3，当导电流体流经旋涡发生体时，形成交错排列有规则的旋涡，旋涡切割永磁体磁力线产生与旋涡频率相同的感应电动势。感应电动势由检测电极检出，并在一定流量范围内，该感应电动势的频率与流量成正比。通过前置放大电路、滤波、整形，并送至微处理器，进行数据的采集和处理，实现流体瞬时流量、累计流量的显示及流量数据与微机系统之间的通讯和控制。

图3 流量计的工作原理图

卡门证明了旋涡稳定条件，两旋涡列之间的距离和同列的两旋涡之间的距离之比为0.281。旋涡发生体产生旋涡，在一定的流量范围内，旋涡分离频率与管道内流体的流量成正比，通过电磁元件检测到旋涡分离的频率f，通过单片机就可算出流量qV。根据流体中旋涡分离的频率计算流体的体积流量的公式为：

式中，f 旋涡的发生频率，Sr为斯特劳哈尔数，为被测流体的平均流速，d 为旋涡发生体迎流面的宽度，D 为测量管内径，qV为被测流体的体积流量，KV为仪表系数。

3.2 设计时应注意的问题

1）密封问题。由于信号组件要插入测量管内，故信号组件要用密封圈紧密密封，旋涡发生体和电极座与测量管焊接时，应保证焊接充分且不虚焊、无气泡等，避免高压时产生泄漏。

2）加工精度。旋涡发生体是产生旋涡的部件，其表面质量和加工精度直接影响旋涡产生的强度和数量，由于线切割可加工硬质金属且加工精度高，故本产品用线切割的方式加工旋涡发生体，来保证旋涡发生体的加工精度和表面粗糙度。流体通过测量管内腔，经过旋涡发生体产生旋涡，旋涡产生的电动势被信号组件检测，如果测量管内腔加工精度和表面粗糙度达不到要求，就会影响信号组件对信号的采集，进而影响仪表的准确性和精度。

3）材料选择。测量管、旋涡发生体必须采用无磁性、抗腐蚀的材料，避免被磁铁同化，影响信号强度和仪表精度。

4）加工工序。测量管采用法兰与管道连接时，应保证仪表长度，由于焊接会产生变形，焊后应安排精车，测量管加工时应留有足够的余量。

5）装配。由于测量管要承受一定的压力，装配时应注意信号组件与电极座之间放密封圈，且应该将信号组件锁紧。

另外，测量管采用渐缩、渐扩管，可以测量较小的流量。

4 流量积算与控制单元的设计

流量积算与控制单元是智能流量测控仪的大脑，它对来自流量转换器的信息进行分析和处理，将偏差进行自动补偿，通过控制执行器带动阀的开闭，使流量趋于设定值。

4.1 硬件设计

硬件电路如图4 所示，电极采集到的微弱信号经前置电路处理后变成方波信号，单片机通过计数器来捕获该信号，然后由式（1）和式（2）算出流体的流量。接着根据用户要求的设定流量值来控制执行器的开和关，达到控制管道中流体流量的目的。

图4 流量积算与控制单元的硬件电路

本测控仪采用8583 时钟芯片，自带微型电池，即使外部电源断开，也能保证系统时间的准确性。24LC65 内可以保存8KB 的数据，用于保存流量计的参数和日流量数据。仪表可选3 种标准的信号输出：485；4～20 mA；脉冲输出。485 通讯采用标准的 ModBus-RTU 协议，带CRC 校验功能，加强了数据的准确性，符合现代数字化仪表的发展方向。4～20 mA 抗干扰能力强，传输距离远，生产现场也有不少的运用。脉冲信号输出的精度高，但不适于远距离传输。本测控仪采用这3 种通讯协议，用户可根据现场的工作情况，选用合适的协议工作，提高了测控仪的可靠性。此外，仪表具有友好的显示界面和人性化的设置按键，简单易学，操作简便。

图5 主程序流程图

图6 流量控制子程序

4.2 软件设计

本系统采用子程序模块化设计。本软件主要包括主程序、子程序以及中断子程序。主程序框图如图5 所示，它主要包括复位、初始化、按键扫描定时时间的控制。

子程序有按键处理子程序、瞬时流量累积流量计算子程序、4～20 mA 和脉冲信号变化子程序、流量控制子程序和显示子程序。流量控制子程序的系统框图见图6。

中断子程序包括485 通讯中断子程序、定时器1 中断子程序。

5 实验结果及结论

智能流量测控仪的流量信号的频率与介质流速成正比，一般来说介质的流速范围大约在0.2～9 m/s 内信号稳定。利用标定台对各种口径的测控仪进行标定数据如表1，其流量范围的理论值和标定值有一定的偏差，具体表现在标定值的下限流量较理论值高，上限流量较理论值低。经分析、实验，发现加工中测量管内腔的加工精度不高、控制阀内腔有毛刺、流体水质有微小颗粒物等都会导致标定值达不到上限值和下限值。这些问题在加工中应予以避免。实际设计中要根据用户要求的流量范围，并考虑加工装配过程中的误差，对测量管的内径进行合理的设计。总之，本装置可以实现流体的测量和自动控制。