智能補償式流量積算儀

0 引言
能源計量中存在著大量的流量檢測儀表，設計中采用渦街流量計對現場流量進行計量，結合溫度和壓力傳感器，組成流量溫壓補償系統。由于工況現場的復雜性，被測信號常常被大量噪聲干擾所淹沒，設計時對渦街流量信號進行了預處理。并引進壓縮系數z對流量數學模型進行修正以提高計量度。該系統具有友好的人機界面，對介質進行實時溫壓補償計算，并可提供RS485遠程傳輸的功能和數據存儲。
1 渦街流量信號預處理
使用頻譜分析法 把信號從時域轉換到頻域，用能量的角度分析信號。通過對信號中各個頻率分量在頻域上幅值的比較判別出渦街頻率，再通過Q=f×3600/K算出流量值。原理框圖見圖1。
2 系統硬件設計
文中設計的流量積算儀硬件部分主要包括$3C44BOXI6 主控模塊、模擬信號輸入和脈沖流量信號

輸入、鍵盤與顯示電路、數據的存儲與讀取電路、數據的串行通信與流量信號的再發送電路 ，系統的硬件設計結構見圖2。
ARMT芯片S3C44B0X芯片具有豐富的片上資源，包括：帶8kB的高速緩沖器；1通道多主IIC總線控制器；兩通道URAT（帶有握手協議，支持IrDA1.0，具有16一ByteFIFO）；看門狗定時器和帶PLL的片內時鐘發生器；8通道10位ADC輸入和71個通用的I/O端口；帶日歷功能的實時時鐘（RTC）等，可滿足系統的設計要求并能簡化系統的硬件電路，提高系統的穩定性。

流量傳感器（溫度、壓力傳感器）送人0～10 mA或4～20 mA模擬信號到芯片的模擬輸入端，為了盡量的簡化硬件電路且考慮到儀表的輸入誤差為滿量程的±0.1％ ，數據采集電路的設計中選取了一片16位高精度的A／D轉換芯片ADSlll0與ARM微處理器的IIC接口相連。
流量變送器（傳感器）傳人頻率流量信號，頻率信號通過頻譜分析獲得，利用快速傅里葉變換FF1、算法將流量信號從時域轉換為0—10 kHz的頻率信號，它輸出的頻率流量信號通常是三角波、正弦波、矩形脈沖三種波形，在頻譜圖中渦街頻率為幅值高的頻率。
$3C44BOX處理器內部有一個LCD控制器，使用時只需外接一個LCD模塊即可滿足顯示的硬件需求，因此本系統具有良好的人機界面。通過主板自帶鍵盤可人工置人參數實現各種查詢及修改操作，如流量計儀表系數的現實、時間及流量上限的設置等；LCD采用大屏幕寬溫度液晶屏且可顯示中文字符，如當前的溫度、壓力、時問、瞬時流量、累積流量和電池電量等信息，并可滿足野外環境使用。可按流體種類（如一般氣體或蒸氣）的不同，選用相應的補償公式和不同工況參數對流量進行積算，以保證測量的準確性和精度。
本系統擴展了RS232和RS485串行接口，可與上位機進行數據通信；并擴展了以太網接口，組成能源計量網絡和控制網絡系統。擴展了一片16 MB的大容量FLASH存儲器以滿足更多信息的存儲，可將記錄的數據存放在儀表內部，實現人工調閱讀，也可由計算機用通信的方法讀取。FLASH中的數據和參數在斷電情況下也可長期保存。
3 流量計算數學模型
密度運算是氣體流量溫壓補償的核心問題和難點所在，不同的流量傳感器得到的流量數據類型不同，都要經過密度計算，并結合相應流量傳感器的基本流量公式將流量數據裝換成標準流量。
目前在線直接測量流體的工況密度難度很大，一般都是通過在線測量流體的工況溫度和壓力來間接獲取流體密度，溫度、壓力變化會引起流體密度發生變化，檢測工況溫度和壓力的目的就是為了計算密度，所以氣體的流量溫壓補償其實就是氣體流量的密度補償。
當輸入信號分別為差壓信號、線性信號和脈沖信號時對應的流量溫壓補償模型也不同，下面分別分析3種不同的輸入信號所對應的溫壓補償數學模型。本系統使用的渦街流量傳感器發出的信號是脈沖信號，因此將重點分析脈沖流量溫壓補償系統的數學模型。

為流量系數，這里將k當成常數來看，△p為流量傳感器輸出的差壓值，ρ為被測流體工況密度，Q為被測流體的工況體積流量，Qm為被測流體的質量流量。則式（1）可變為

2）輸入為線性信號
① 一般氣體
設QG為工況體積流量，Qn為標準體積流量，則經補償后


式中p，為工況下的密度，ρf為標準狀況下的密度。可將式（4）進行變換。有

② 蒸氣
蒸氣用質量流量Qm表示。ρf是通過查表法或公式法得到的在線溫度、壓力下的蒸氣密度，則

式中f—流量計輸入信號頻率／Hz，K—脈沖系數
脈沖流量傳感器可看成是線性方式傳感器的特例。將Qv作為QG代人式（4）即可。
4）累計流量與瞬時流量之間的關系

Q——累計流量值；
dt——采樣周期；
KT——累計倍率；
Ri——瞬時流量單位時間換算系數。
4 軟件設計
程序的總體設計思路包括以下幾個部分：初始化程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、數據處理程序、FLASH讀寫程序、中斷處理程序。系統啟動后，需要對全局變量、控制寄存器、輸入輸出端口和特殊功能寄存器進行初始化操作；通過循環掃描鍵盤來判斷外部輸入，以調用不用的菜單項顯示內容，進入改寫模式后可以對流量的補償系數和參數進行修改，修改完成后調用FLASH存儲程序，將修改好的參數值存入FLASH中；數據處理模塊主要是對輸入的頻率信號和模擬信號的采樣值進行運算，結合不同的工況參數和補償系數計算出瞬時流量和累計流量的值；中斷處理程序包括頻率信
號輸入程序、模擬信號輸入程序、定時中斷程序和數據發送程序，頻率中斷程序有中斷的初始化程序和脈沖的計數程序組成，模擬輸入的中斷程序是嵌入到定時中斷程序中的，每隔100 ms出發一次中斷，進行一次模擬輸入的采樣，連續采樣5次做平均值作為一次瞬時流量的采樣值。數據發送程序是按照約定的通信協議與上位機進行數據傳送。主程序的流程圖如圖3所示。
5 誤差分析
儀表測量結果的不確定度評定：如果溫度傳感器的測量范圍為-40～85℃ ，測量誤差為0.5℃ ，約為0.7％ ；壓力傳感器誤差為0.5％ ；表體誤差取0.8％。
則系統總的不確定度可用下式計算

由上面溫壓補償模型均是將一般氣體近似理解為理想氣體，忽略了壓縮系數z變化帶來的影響，而實際氣體存在一定程度的濕度問題，蒸氣傳輸過程中可能發生相變產生氣液兩相流，飽和蒸氣存在干度問題，差壓傳感器C， 和d等參數都可能受到溫度、流量等的影響而改變。因此氣體流量檢測僅采用動態溫壓補償技術并不全面，要得到更高的檢測精度應該考慮其他更全面的流量補償技術。

6 結語
文中設計的基于S3C44BOX的流量積算儀除了具有在線進行壓縮因子的計算補償外，還具有存儲、顯示、計算等功能，適用于現場檢測和遠程傳輸的場合，該流量儀表工作科學化，智能化、成本較低，更具一定的市場競爭力，適應了當前工業現場的技術要求。