胡開(kāi)明，李躍忠，劉薇

(1. 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院，江西撫州 344000；2.東華理工大學(xué)江西省新能源工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330013)

0 前言

氣體超聲波流量計(jì)是利用超聲聲學(xué)原理工作的新型流量測(cè)量?jī)x表，目前廣泛應(yīng)用于大管徑氣體流量測(cè)量中，具有計(jì)量穩(wěn)定可靠、量程比大、無(wú)壓損、安裝方便、非接觸測(cè)量等一些突出優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的節(jié)能型流量計(jì)，受到流量計(jì)量行業(yè)的廣泛認(rèn)可和極大關(guān)注。因此很有必要研制滿足氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)裝置，構(gòu)建檢定系統(tǒng)，提高計(jì)量水平。隨著氣體超聲波流量計(jì)在西氣東輸?shù)却笠?guī)模工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，大管徑流量計(jì)計(jì)量需求越來(lái)越大，但大型流量計(jì)檢定系統(tǒng)造價(jià)過(guò)于昂貴，難以普遍應(yīng)用推廣。本文作者在分析氣體超聲波流量計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，搭建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能少的氣體超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)，在保證氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確的同時(shí)有效降低成本，提高檢定的自動(dòng)化水平。

1 超聲波氣體流量計(jì)校準(zhǔn)原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 超聲波傳輸原理

氣體超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)氣體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖的作用，以測(cè)量體積流量的儀表。氣體超聲波流量計(jì)是將超聲波換能器接收到的發(fā)射器發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)放大、整形、濾波處理成電信號(hào)，進(jìn)行體積計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體流量檢測(cè)的目的。其最常見(jiàn)的測(cè)量方法是時(shí)差法。時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)是根據(jù)超聲波脈沖在順流和逆流中的傳播時(shí)間差計(jì)算氣體流速的儀表，在其管道的上下游分別安裝了一對(duì)超聲波換能器A和B，超聲波傳播聲道長(zhǎng)度為，管道直徑為，聲道與管道橫截面積直徑所呈的銳角為，超聲波在靜止氣體中傳播的聲速為，為超聲波傳輸路徑方向的氣體線平均流速,則有：

(1)

其中：Δ為順逆流傳播的時(shí)間差。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)是將標(biāo)準(zhǔn)表和待校準(zhǔn)流量計(jì)串聯(lián)起來(lái)，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，用比較的方法確定被檢流量計(jì)準(zhǔn)確度的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表法獲得被測(cè)儀表體積值的方程：

(2)

式中：為被測(cè)表體積(m)；為標(biāo)準(zhǔn)表處的壓力(kPa)；為被測(cè)表處的溫度(K)；為被測(cè)表處的壓力(kPa)；為標(biāo)準(zhǔn)表處的溫度(K)；為標(biāo)準(zhǔn)表的流量值。

校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)表選取噴嘴式氣體流量計(jì)，氣體超聲波流量計(jì)為待測(cè)表。該校準(zhǔn)平臺(tái)是以空氣作為氣源，空氣通過(guò)真空泵生成負(fù)壓氣源，穩(wěn)定后氣源經(jīng)過(guò)前儲(chǔ)氣罐緩沖，在電動(dòng)閥的控制下調(diào)節(jié)氣體流速，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試后，通過(guò)后儲(chǔ)氣罐緩沖，再經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體超聲波流量表流出。此系統(tǒng)選用DN50的氣體管道，采用管道內(nèi)壓縮空氣為研究對(duì)象，包含PLC控制器、溫度、壓力檢測(cè)等器件。PLC采集管道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表和待測(cè)表的流量數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)表參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行算法分析后控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)氣體流速穩(wěn)定。同時(shí)計(jì)算待測(cè)表流量、管道內(nèi)溫度和壓力的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)得到相應(yīng)標(biāo)況下的流量值。與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)出的示值對(duì)比得出待測(cè)氣體超聲波流量計(jì)的測(cè)量指標(biāo)結(jié)果，并根據(jù)測(cè)試的結(jié)果修正其儀表系數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)總線送至工控機(jī)，在組態(tài)信息管理環(huán)境下完成待測(cè)流量表的自動(dòng)檢定，分析多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求取待測(cè)氣體超聲波流量計(jì)的測(cè)量誤差和重復(fù)性，完成標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度的分析，進(jìn)而獲取待測(cè)表的準(zhǔn)確信息。該系統(tǒng)具備自動(dòng)采集各種數(shù)據(jù)、自動(dòng)計(jì)算以及自動(dòng)打印報(bào)表和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)等功能，實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程自動(dòng)化、高精度與高效性。系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 氣體超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)平臺(tái)

2 系統(tǒng)建模與仿真

2.1 系統(tǒng)模型

借助實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為閥門開(kāi)度與管道流量的關(guān)系。空氣進(jìn)入管道后通過(guò)電動(dòng)閥調(diào)節(jié)控制流速的大小，經(jīng)噴嘴流量計(jì)測(cè)量出流量值后通過(guò)待測(cè)表流出，由電動(dòng)閥開(kāi)度的變化測(cè)出管道內(nèi)空氣的流量值。表1為電動(dòng)閥開(kāi)度每增加10%所對(duì)應(yīng)的噴嘴流量計(jì)的空氣流量值。

表1 閥門開(kāi)度與噴嘴流量計(jì)流量的測(cè)量值

根據(jù)表1所示的噴嘴流量計(jì)的空氣流量測(cè)量值與閥門開(kāi)度間的關(guān)系用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合算，得出氣體流量的傳遞函數(shù)為

(3)

2.2 仿真分析

流量計(jì)檢定的前提條件是管道內(nèi)氣體流量值恒定不變。為了實(shí)現(xiàn)快速檢定，采用PID算法使管道內(nèi)氣體快速地處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)式(3)，建立MATLAB仿真模型，進(jìn)行PID 自整定，得到仿真曲線如圖2所示。

圖2 氣體流量PID控制輸出波形

從圖2可知該曲線的快速性和穩(wěn)定性都非常好。經(jīng)過(guò)分析可得出,氣體流量響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差、無(wú)超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間約為120 s，控制效果良好。據(jù)此完成氣體穩(wěn)流的控制，為PLC控制器實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)平臺(tái)的PID 控制提供參數(shù)依據(jù)，是氣體流量檢定的基礎(chǔ)。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC外部接線

采用西門子系列CPU224型號(hào)PLC,為配合模擬量參數(shù)的檢測(cè)與輸出再擴(kuò)展一片EM235模塊。按照控制要求，系統(tǒng)的I/O口分配如表2所示。PLC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表噴嘴流量計(jì)計(jì)算出實(shí)際流量值，將其與設(shè)定值相減，獲取流量偏差值，對(duì)偏差進(jìn)行PID算法運(yùn)算，控制電動(dòng)閥的開(kāi)度，使得管道內(nèi)氣體在短時(shí)間穩(wěn)定。同時(shí)采集管道內(nèi)的溫度、壓力和超聲波氣體流量計(jì)信號(hào)到PLC，經(jīng)計(jì)算分析后，完成待校準(zhǔn)氣體超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)計(jì)算，進(jìn)行在線標(biāo)定?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)再傳送至上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面上，實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其外部接線如圖3所示。

表2 系統(tǒng)I/O口分配

圖3 PLC外部接線

3.2 程序設(shè)計(jì)

管道內(nèi)氣體只有處于穩(wěn)定狀態(tài)才能校準(zhǔn)，所以PLC程序設(shè)計(jì)包括管道內(nèi)氣體流量的穩(wěn)流控制和實(shí)流檢定兩部分。

3.2.1 管道氣體穩(wěn)流控制

校準(zhǔn)平臺(tái)是在穩(wěn)流的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)流是通過(guò)采集噴嘴流量計(jì)中的流量值，送入PID指令的輸入端口，按照整定過(guò)的參數(shù)經(jīng)過(guò) PID 算法處理，輸出結(jié)果控制電動(dòng)閥的開(kāi)度，使得校準(zhǔn)平臺(tái)氣體流量達(dá)到穩(wěn)流。PID程序是調(diào)用PLC編程軟件中自帶的 PID 指令來(lái)完成的，按照PID向?qū)ХㄟM(jìn)行給定值的設(shè)置、選擇PID控制參數(shù)，設(shè)定回路輸入、輸出量的參數(shù)和輸出警報(bào)參數(shù)，選取變量地址為VB100,即可生成PID運(yùn)算的子程序和中斷程序。子程序中使用局部變量，其中的輸入、輸出變量需要在調(diào)用程序中按照數(shù)據(jù)類型的要求進(jìn)行賦值，如圖4所示。

指令向?qū)Хㄖ蠵ID 運(yùn)算是通過(guò)調(diào)用子程序(PID0_INIT)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)算時(shí)其過(guò)程變量(PV)和PID回路輸出值(Mn)均為 0.00～1.00 之間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)。先將標(biāo)準(zhǔn)表流量采集信號(hào)(AIW0)值換成PV標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)供PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果的實(shí)數(shù)值轉(zhuǎn)換成整數(shù)值送給模擬量輸出模塊(AQW0)，這些運(yùn)算都是在指令向?qū)е凶詣?dòng)完成的。圖4中PV_I 是PLC中標(biāo)準(zhǔn)流量采集信號(hào)的地址，Setpoint_R設(shè)定值的百分?jǐn)?shù),Output 是 PID 控制運(yùn)算結(jié)果的輸出整數(shù)值，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥。HighAlarm和LowAlarm分別是上下限的報(bào)警指示信號(hào)，ModuleErr是模擬量模塊的故障輸出信號(hào)。

圖4 指令向?qū)Х≒ID初始化指令

3.2.2 校準(zhǔn)程序

在氣體流量穩(wěn)流的基礎(chǔ)上，將EM235采集到的噴嘴流量計(jì)、氣體超聲波流量計(jì)、溫度和壓力的示數(shù)送入PLC中，按照公式(2)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的數(shù)值，再與標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)值進(jìn)行比較，分析校準(zhǔn)性能指標(biāo)，進(jìn)而修正氣體超聲波流量計(jì)的流量系數(shù)，完成待校準(zhǔn)表的校準(zhǔn)。PLC分別將采集到的標(biāo)準(zhǔn)表的模擬量 AIW0、待測(cè)表的模擬量 AIW2、溫度的模擬量 AIW4、壓力的模擬量 AIW6的數(shù)值經(jīng)過(guò)單極性的數(shù)值轉(zhuǎn)換后，得到的標(biāo)準(zhǔn)量分別存入VD100 、VD200、 VD204和VD206內(nèi)，按照氣體流量的轉(zhuǎn)換公式分別換算成標(biāo)況下的流量值，比較兩者流量值得到校準(zhǔn)的效果。

4 組態(tài)監(jiān)控調(diào)試與分析

4.1 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

采用亞控公司的組態(tài)王KingView6.55進(jìn)行校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制界面設(shè)計(jì)和參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)表1中的I/O口定義組態(tài)王中的數(shù)據(jù)詞典變量，在圖庫(kù)中調(diào)出包括前儲(chǔ)氣罐、電動(dòng)閥、標(biāo)準(zhǔn)流量表、溫度元件、氣壓表、待測(cè)流量表、后儲(chǔ)氣罐等器件進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)，同時(shí)在監(jiān)控界面上設(shè)置溫度、壓力、待測(cè)表、標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量值。將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)詞典定義好的變量與組態(tài)界面畫圖進(jìn)行動(dòng)畫連接。在組態(tài)中連接PLC設(shè)備，設(shè)置通信參數(shù)，實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與PLC間的通信連接。在校準(zhǔn)系統(tǒng)的界面中添加流量的實(shí)時(shí)曲線圖與歷史曲線圖，生成可查看的數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線，豐富系統(tǒng)的功能。

4.2 組態(tài)調(diào)試

打開(kāi)開(kāi)發(fā)的組態(tài)監(jiān)控畫面，進(jìn)入組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)校準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試效果如圖5所示。除了能夠顯示出校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及儀表動(dòng)畫數(shù)據(jù)外，該平臺(tái)還提供了標(biāo)準(zhǔn)表和待校準(zhǔn)表的各參數(shù)數(shù)值，同時(shí)還能顯示其他流量實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。圖中溫度檢測(cè)、氣壓檢測(cè)以及標(biāo)準(zhǔn)表、待測(cè)表都能正常工作。

圖5 氣體超聲波流量檢定系統(tǒng)

圖5中調(diào)試圖是將標(biāo)準(zhǔn)表流量設(shè)定為100 m/h獲取的波形和參數(shù)數(shù)據(jù)，可知實(shí)時(shí)曲線與MATLAB仿真一致，理論與實(shí)際結(jié)果相吻合。從實(shí)時(shí)波形可以看出，氣體流量快速、穩(wěn)定地保持在了100 m/h，其中標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量數(shù)據(jù)為100.000 m/h，待測(cè)表的測(cè)量數(shù)據(jù)為99.990 3 m/h，測(cè)量結(jié)果在誤差允許的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)能夠通過(guò)查看歷史曲線獲得歷史數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可以穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地改變氣體流量，并對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

在組態(tài)里改變流量設(shè)定值，分別驗(yàn)證各流速下的流量測(cè)量值。當(dāng)改變氣體流速后，流量曲線隨著閥門開(kāi)度變化而相應(yīng)改變，變化趨勢(shì)一致。同時(shí)溫度檢測(cè)、氣壓檢測(cè)以及標(biāo)準(zhǔn)表、待測(cè)表都能正常工作。表3為校準(zhǔn)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)電動(dòng)閥門開(kāi)度與標(biāo)準(zhǔn)表和待測(cè)表中的流量值間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 閥門開(kāi)度與流量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)逐步提高調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，測(cè)試出此待測(cè)表的最大測(cè)量上限為330 m/h,標(biāo)準(zhǔn)表在340 m/h也達(dá)到了上限。由于閥門開(kāi)度變大，管道氣體流量改變過(guò)程中超調(diào)變大，故在檢定中選擇中間較小流量測(cè)量范圍對(duì)待測(cè)表進(jìn)行檢定為宜。

在校準(zhǔn)出待測(cè)表的測(cè)量范圍后，需要計(jì)算重復(fù)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)相對(duì)誤差和控制相對(duì)誤差參數(shù)以檢驗(yàn)檢定效果。其中重復(fù)性可表示為

(4)

式中：為流量計(jì)滿量程示數(shù)；()為測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，其中

(5)

系統(tǒng)穩(wěn)定性的計(jì)算公式為

(6)

式中：為包含因子，這里取2。

系統(tǒng)的控制相對(duì)誤差計(jì)算公式為

(7)

式中：為設(shè)定的流量值。

系統(tǒng)的校準(zhǔn)相對(duì)可通過(guò)以下公式得出：

(8)

選取表3中電動(dòng)閥開(kāi)度分別為10%、20%、30%三組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)合圖5中的數(shù)據(jù)，代入相關(guān)的公式中，得出：重復(fù)性=0.19%,穩(wěn)定性=0.45%,控制相對(duì)誤差=0.29%,校準(zhǔn)相對(duì)誤差=0.28%，能夠滿足工業(yè)計(jì)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用空壓機(jī)提供穩(wěn)定氣源，以噴嘴式氣體流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，研制一套氣體超聲波流量校準(zhǔn)裝置，通過(guò)PLC控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)管道氣體穩(wěn)定，在組態(tài)監(jiān)控環(huán)境內(nèi)完成實(shí)流檢定，經(jīng)過(guò)性能分析達(dá)到了校準(zhǔn)的要求。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的特點(diǎn)，較好實(shí)現(xiàn)氣體流量檢定過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，提高了氣體超聲波流量計(jì)的校準(zhǔn)效率與自動(dòng)化水平。