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脉冲式输出流量计的信号测量

发布日期:2018-11-30 14:18:41    | 作者:王文海,陈伟杰

[摘要]随着脉冲式输出流量计的市场应用在不断发展,能准确测量这种流量计的信号就显得尤为重要。本文分析了脉冲信号特点,提出了新的瞬时流量和累积流量测量方法,解决了测量精度低的难题,并在流量积算仪中得到成功应用,产生了实际应用价值。

0引言

流量计的分类方法很多1~3,按照信号的输出类型划分,可分为模拟量输出流量计和脉冲式输出流量计。脉冲式输出流量计包括:容积式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、插入式流量计等,这些流量计输出的是脉冲信号,一个脉冲代表一定体积的流量。这几年,随着工业生产的发展,流量计的应用需求在不断的增加,尤其是脉冲式输出流量计得到了空前的发展和应用。

目前,市场上流量积算仪(也称流量显示仪)种类繁多,生产的厂家也有很多,但是它们针对脉冲式输出流量计(以下简称流量计)的脉冲信号测量都不尽如人意,有些瞬时流量较准,累积量不准,而有些累积量较准,瞬时流量不准。

这些问题的产生是由于测量方法的局限性所造成。作者通过几年来对流量积算仪的研究开发,对于这种流量计信号的测量方法具有深刻体会,不仅解决了以上问题,而且在产品中得到了成功应用。本文将针对瞬时流量和累积流量的测量方法作一介绍。

1瞬时流量测量

瞬时流量正比于流量计输出的脉冲频率,方程为:

F.=kxf(1)式中,F为体积流量,m3/h;k为流量计仪表系数,1/m3;f为流量计输出频率,Hz。

用户接入流量计信号,设定相应的仪表系数,流量积算仪只要正确测量脉冲频率,按式1.1及有关补偿公式进行处理,就可以获得准确的流量值。因此问题的关键就是如何准确测量流量计输出的脉冲频率。

1.1脉冲信号特点

在提出频率测量方法之前,首先了解流量计信号的特点:

·频率低脉冲频率一般在10kHz以内,如涡街流量计输出频率为0~5kHz,容积式流量计更小,一般只有几百Hz,甚至几十Hz。

·不均匀脉冲分布不均匀。例如容积式流量计,它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,并附加发信装置输出脉冲信号,在这样的一个转动周期内,脉冲的分布不均匀。如图1所示。在一个周期T内,前半个周期脉冲分布密集,后半个周期分布稀疏,但是每个周期脉冲数是一样的。

1.2频率测量方法

通常频率测量方法有两种:测周法和测频法。作者针对流量计的信号特性,在普通测频法的基础上,提出了一种新的频率测量方法。

测频法就是在一定的时间间隔内,对输入的周期信号脉冲计数,则信号的频率为:

image.png

式中,f为脉冲频率;n为脉冲个数;t为时间间隔。

按照普通测频法的原理,会有计数误差An=士1,如图2所示。

造成计数误差An=士1的原因如下:

第一,定时器启动后,没有遇上待测脉冲的下降沿,而要等ti时间后才开始计数;第二,定时器时间到,不在待测脉冲的末尾,而提前了ta时间。为消除△n的误差,采用了新的测频方法,新的测频法计算公式:

f=n/t'(3)式中,t'为时间间隔。

该方法同普通测频法的最大区别就是频率计算公式中的分母不同。式(2)中,分母t是不变的,而式(3)中的t'是可变的。如图3所示。单片机系统的软件可控性[],使消除计数误差An变得很简单,计数时使用单片机的两个定时器,一个定时,另一个计数。计数器由外部信号控制启动,且与待测脉冲信号同步,这样就消除了图2中h的影响。如图3中,当定时时间t到了之后,CPU采样到最后一个脉冲后,此时计数值为n,n个脉冲的时间为t',这样就消除了图2中ta的影响,用计数值n除以计时值t’即可得到被测频率值[]。这种测量方式的误差≤0.1%。对定时时间t的选取为小于1s,这样保证对频率信号的响应时间小于1s。

image.png

image.png

2累积测量法

流量累积就是在一定时间内测得的流量总和,公式为:

M=JF,dt(4)式中,M为流量累积,m3;F为瞬时流量,m3/h。

瞬时流量F,按前面提到的测量方法和式(1)计算获得,然后经过积分运算就得到了累积流量。这是比较常用的累积测量法,不需要设置累积的仪表系数,方法简单。但是这种方法有其缺陷,由于测量瞬时流量会有误差,作积分运算的时候,同时会把误差累积上去,造成累积值的偏差不断扩大。

作者采用新的累积测量法,通过测量脉冲数来获得累积流量,即:

M=k1×ZN。(5)式中,M为流量累积,m3;k1为脉冲当量,m3/p;N。为脉冲数。

单片机的计数器就可以采用测量频率时候的计数器,不需要另外占用资源,只要定时的将计数值通过式(5)运算后累加到总累积上即可。软件中累积流量是以BCD码格式存储,做累加的时候也采用BCD

码累加运算,这样计算速度快,也方便仪表显示。在一定时间内对脉冲数的累积误差小于等于士1个脉冲,累积流量的误差也就控制在很小的范围内,而且误差不会累积。

3应用效果

以上介绍的方法,不需要专用的测频电路,简化了该仪表的硬件结构,同时仪表性能得到改善,测频更快速、更准确,而且累积精度高。作者正是基于这种方法,已经在浙大中自公司成功开发出高精度流量积算仪,该积算仪已经在市场上得到广泛应用,收到了良好的经济效益。

[参考文献]

[1]陆德明,张振基,黄步余,等,石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.69-124.

[2]杜维,张宏建,乐嘉华,等.过程检测技术及仪表[M].北京:化学工业出版社,1999.66-103.

[3]孙涵芳,徐爱卿.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1988.166-171.





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