第 1 章 緒   論

1.1 課題來(lái)源及研究背景和意義
本課題是校企合作項(xiàng)目，企業(yè)是深圳某一高新技術(shù)公司，項(xiàng)目的名稱(chēng)是“插入式差壓流量計(jì)的研究”。 流量是現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的被測(cè)量對(duì)象，流量的測(cè)量大多采用專(zhuān)用的商業(yè)化流量計(jì)，測(cè)量單位一般為立方米每小時(shí)、升每分鐘。流量計(jì)的種類(lèi)眾多，它主要的分類(lèi)方法主要有以下幾種。根據(jù)流量計(jì)工作原理的不同，主要有熱式、差壓式、超聲波式、電磁式、渦輪、渦街流量計(jì)等；根據(jù)流量計(jì)的安裝方式的不同，分為管道式、插入式、粘附式流量計(jì)等；根據(jù)被測(cè)流體介質(zhì)狀態(tài)的不同，可以分為氣體、液體流量計(jì)等[1-3]。流量是工業(yè)應(yīng)用中重要計(jì)量單位，流量計(jì)在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用很廣，在能源傳輸、流體檢測(cè)、電力工程等各個(gè)領(lǐng)域占有重要的位置。特別是資源危機(jī)、人口膨脹的我國(guó)，在國(guó)家號(hào)召節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，需要精度更高的流量計(jì)來(lái)滿(mǎn)足測(cè)量要求[4,5]。 差壓式流量計(jì)作為傳統(tǒng)流量計(jì)應(yīng)用較多的一種，其發(fā)展歷史比較悠久，相關(guān)的研究理論也比較成熟[6-8]。壓差檢測(cè)裝置和壓差發(fā)生裝置是構(gòu)成差壓式流量計(jì)的最重要部分。差壓流量計(jì)作為檢測(cè)流體平均速度的裝置，工作原理是流體介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流速之間存在一定關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)定流量的。差壓式流量計(jì)廣泛應(yīng)用于流量檢測(cè)、能源傳輸?shù)阮I(lǐng)域。 差壓式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、成本較低、不易受流體介質(zhì)影響等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是大部分的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且尺寸較大，對(duì)安裝定位的要求很高[9,10]。市場(chǎng)上差壓式流量計(jì)大都是管道式的差壓流量計(jì)，管道式差壓流量計(jì)安裝比較復(fù)雜，限制了管道式差壓式流量計(jì)的推廣。為了克服管道式流量計(jì)的以上弊端，同樣根據(jù)傳統(tǒng)差壓流量計(jì)工作原理，均速管流量計(jì)在流量計(jì)市場(chǎng)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，管道式均速管流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 1-1，插入式均速管流量計(jì)見(jiàn)圖 1-2。均速管流量計(jì)有效的克服了傳統(tǒng)壓差發(fā)生裝置的體積限制，可以方便的進(jìn)行安裝。但是均速管流量計(jì)往往對(duì)測(cè)試管道的的尺寸有特定要求，同一規(guī)格的流量計(jì)只適用于同一規(guī)格的管徑，通用性差。本文目的是設(shè)計(jì)一種新型插入式差壓流量計(jì)，增強(qiáng)均速管流量計(jì)的通用性。 
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1.2 均速管流量計(jì)的特性
作為歷史發(fā)展較短的的差壓流量計(jì)一種，均速管流量計(jì)近年來(lái)越加受到市場(chǎng)的關(guān)注，更多的企業(yè)開(kāi)始使用均速管流量計(jì)。均速管流量計(jì)與傳統(tǒng)式差壓流量計(jì) 相比，均速管流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)如下[11,12]： （1）結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，安裝便捷，維護(hù)成本低。 （2）阻塞比小，永久性壓損小，從而有效的節(jié)約了能源。傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)如孔板式流量計(jì)的壓力損失大，最大達(dá)到了壓差的 80%，而均速管流量計(jì)壓力損失最少可以達(dá)到壓差的 2%，最多為壓差的 15%，這樣就降低了運(yùn)行成本，它的每年的運(yùn)行費(fèi)用只有孔板的 2%~3%，所以均速管流量計(jì)應(yīng)用在能源傳輸領(lǐng)域中，可以大大地節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。 （3）適用管徑范圍大。隨著現(xiàn)在能源行業(yè)管道的增大，在大管徑運(yùn)輸?shù)臈l件下，傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)失去了成本優(yōu)勢(shì)，均速管流量計(jì)的測(cè)量管徑范圍最大可以達(dá)到 9 m，最小可以達(dá)到 25 mm，管徑越大，測(cè)量結(jié)果越精確。均速管流量計(jì)可以測(cè)量的流體介質(zhì)種類(lèi)多。 （4）性能穩(wěn)定，安裝方便。由于組成均速管流量計(jì)的所有部件都有固定的位置，減小了部件移動(dòng)對(duì)流體測(cè)量的影響，穩(wěn)定性能好。市場(chǎng)常見(jiàn)的均速管流量計(jì)的精度在 1%左右，穩(wěn)定性每年波動(dòng)約 1%。 正是由于均速管流量計(jì)的以上優(yōu)勢(shì)，使得均速管流量計(jì)可以在上百種流量計(jì)中市場(chǎng)排名在 10 位左右，在管徑大于 400 mm 的情況下，更是成為眾多流量測(cè)量的首選。但是由于均速管本身的結(jié)構(gòu)和工作原理，使得均速管流量計(jì)也有一些弊端限制了流量測(cè)量的精度和使用，主要有以下特點(diǎn)[13,14]。 
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第 2 章 差壓流量計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立及仿真研究

本章首先對(duì)傳統(tǒng)的均速管流量計(jì)的工作原理進(jìn)行了研究，并且根據(jù)傳統(tǒng)的均速管流量計(jì)流量的計(jì)算公式，探討了擬設(shè)計(jì)的半管插入式差壓流量計(jì)的流量計(jì)算方法。利用流體仿真軟件驗(yàn)證了圓形截面探測(cè)桿作為均速管流量計(jì)壓差產(chǎn)生元件的工作原理。對(duì)常見(jiàn)的均速管流量計(jì)截面形狀為圓形和子彈頭型進(jìn)行數(shù)值仿真，得出了探測(cè)桿前后兩端壓差的大小，并且對(duì)不同速度下的儀表系數(shù)、平均儀表系數(shù)、線性度誤差進(jìn)行了計(jì)算。利用分析法和數(shù)值仿真法設(shè)計(jì)了新型的壓差發(fā)生裝置的截面，與圓形截面和子彈頭型截面的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了新型截面的探測(cè)頭可以產(chǎn)生更高的壓差值，儀表系數(shù)的線性度誤差更小，并且設(shè)計(jì)了差壓流量計(jì)的探測(cè)頭結(jié)構(gòu)。 

2.1 均速管流量計(jì)的工作原理的研究
均速管流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成圖見(jiàn)圖 2-1。其主要的傳感元件是插入管道中的探測(cè)桿，作為最主要的探測(cè)部分，很大程度上決定了流量計(jì)的測(cè)試精度。傳統(tǒng)的均速管差壓流量計(jì)的迎流面開(kāi)有成對(duì)的取壓孔，迎流面所測(cè)得壓力是總壓，一般背流面的取壓孔位置設(shè)在管道的軸線中心處，測(cè)試得出的壓力值是流體的靜壓值。均速管流量計(jì)就是利用迎流面與背流面分別測(cè)得的全壓與靜壓的關(guān)系來(lái)測(cè)試管道流速的，進(jìn)而得到管道的氣體流量。
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2.2 CFD軟件與流體運(yùn)動(dòng)控制方程
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能的提高和對(duì)流體力學(xué)理論研究的深入，越來(lái)越多的流體仿真軟件即 CFD 軟件得到了越來(lái)越廣泛的使用。CFD 軟件可以對(duì)實(shí)際的流體建模并進(jìn)行數(shù)值仿真，實(shí)踐證明了 CFD 軟件可以很好的模擬流體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，加快了研發(fā)周期[35,36]。本文首先使用 CFD 軟件對(duì)管道內(nèi)流體繞流均速管流量計(jì)的截面的模型進(jìn)行數(shù)值仿真，目的是研發(fā)一種新型的差壓流量計(jì)的截面形狀，并對(duì)新型的探測(cè)截面進(jìn)行試驗(yàn)研究。Gambit 是當(dāng)今應(yīng)用較多的 CFD 前處理軟件，它具有結(jié)構(gòu)清晰，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)便易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。Gambit 具有很強(qiáng)的建立模型的能力，可以建立點(diǎn)、線、面、體的結(jié)構(gòu)，包括二維模型和三維模型，Gambit 軟件也支持大部分的 CAD 建模軟件的模型的導(dǎo)入。它可以對(duì)導(dǎo)入的 CAD 模型進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，減小了因模型導(dǎo)入而發(fā)生的微小變形，不會(huì)影響導(dǎo)入模型的精度。Gambit 前處理軟件可以自動(dòng)的生成多種形式的網(wǎng)格，它具有多種高效率的網(wǎng)格劃分算法，可以獲得質(zhì)量很高的網(wǎng)格。Gambit 軟件可以生成兼容性很強(qiáng)的網(wǎng)格文件，可以輕松的導(dǎo)入不同的 CFD軟件中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。Fluent 軟件是應(yīng)用最多的商用流體仿真軟件，模擬真實(shí)的流場(chǎng)可以有效節(jié)約物質(zhì)與時(shí)間成本，計(jì)算結(jié)果精度高、速度快，與真實(shí)流場(chǎng)的吻合度高，所以被廣泛用于能源傳輸、航空航天、交通制造等領(lǐng)域。Fluent 軟件包含的湍流模型種類(lèi)眾多，有 k-ε 模型、k-ω 模型等，同時(shí)支持用戶(hù)使用自己設(shè)計(jì)的湍流模型。該軟件可以支持多種性質(zhì)的流體介質(zhì)，流體介質(zhì)可以是粘性或者非粘性，，壓縮或者非壓縮性質(zhì)。
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第 3 章  差壓流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......... 18 
3.1  流量計(jì)的傳感器選型 ......... 19 
3.1.1  壓差信號(hào)采集與校準(zhǔn) .......... 19 
3.1.2  氣壓傳感器和溫度傳感器 .......... 25 
3.1.3  三通電磁閥 .......... 26 
3.2  差壓流量計(jì)關(guān)鍵部件的焊接工藝 ..... 27 
3.2.1  導(dǎo)氣管與探測(cè)頭焊接的工藝 ...... 27 
3.2.2  激光焊接 ...... 28 
3.3  差壓流量計(jì)關(guān)鍵部件密封設(shè)計(jì) ......... 28
3.4  本章小結(jié) ..... 30 
第 4 章  差壓流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì) ...... 31 
4.1  硬件電路設(shè)計(jì) ..... 31
4.2  差壓流量機(jī)的軟件設(shè)計(jì) ..... 35 
4.2.1  主程序設(shè)計(jì) .......... 35 
4.2.2  數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) ...... 37 
4.2.3  流量計(jì)算模塊的設(shè)計(jì) .......... 37 
4.3  本章小結(jié) ..... 38 
第 5 章 差壓流量計(jì)的測(cè)試平臺(tái)與測(cè)量 ...... 39 
5.1  測(cè)試平臺(tái)的組成 ......... 39 
5.2  樣機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試 ......... 40 
5.3  差壓流量計(jì)誤差分析 ......... 47 
5.4  本章小結(jié) ..... 48 

第 5 章 差壓流量計(jì)的測(cè)試平臺(tái)與測(cè)量

完成了新型差壓流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，制造差壓流量計(jì)的各個(gè)零件并裝配樣機(jī)，為了得到新型差壓流量計(jì)的性能指標(biāo)，還要對(duì)完成的差壓流量計(jì)樣機(jī)在測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行管道測(cè)試，測(cè)試差壓流量計(jì)的各個(gè)性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而對(duì)插入式差壓流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

5.1 測(cè)試平臺(tái)的組成

差壓流量計(jì)的測(cè)試校準(zhǔn)可以由專(zhuān)業(yè)的計(jì)量院進(jìn)行檢測(cè)，由于合作單位具有多年的流量計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是公司已有的流量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)，該校驗(yàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 5-1，實(shí)際的校驗(yàn)系統(tǒng)組成圖見(jiàn)圖 5-2。測(cè)試平臺(tái)主要包括以下幾個(gè)主要部分：空氣壓縮機(jī)部分，它的作用是產(chǎn)生一定壓力的壓縮空氣，用于流量計(jì)的校驗(yàn)；電機(jī)部分，產(chǎn)生具有一定流速的的壓縮空氣；儲(chǔ)氣罐，用于儲(chǔ)存一定的穩(wěn)壓壓縮空氣，氣體壓力的穩(wěn)定對(duì)于流量校驗(yàn)具有重大意義；標(biāo)準(zhǔn)表，該校驗(yàn)系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)表是高精度等級(jí)的渦輪流量計(jì)，用于對(duì)管道內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)行流量測(cè)量，為被測(cè)流量計(jì)提供精確參照；校驗(yàn)系統(tǒng)還包括了壓力變送器和溫度傳感器件，用于對(duì)校驗(yàn)系統(tǒng)壓力和溫度的監(jiān)控；校驗(yàn)系統(tǒng)還包括空氣過(guò)濾器，總氣路和分支管道的電磁閥，溫度調(diào)節(jié)器等裝置；校驗(yàn)系統(tǒng)有工控機(jī)作為主要的控制系統(tǒng)，用于檢測(cè)管道內(nèi)氣壓、溫度等參數(shù)，控制各種管道閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，管道內(nèi)流體的流速大小等。 

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結(jié)   論

傳統(tǒng)的均速管流量計(jì)對(duì)被測(cè)試氣體管道管徑有嚴(yán)格的要求，即統(tǒng)一規(guī)格的均速管流量計(jì)只能用于測(cè)量特定管徑的管道。為了提高均速管流量計(jì)的通用性，由傳統(tǒng)的全管式探測(cè)桿、多對(duì)取壓孔改為半管式、一對(duì)取壓孔的結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了新型的探測(cè)頭截面形狀，使得探測(cè)頭的測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定。并對(duì)設(shè)計(jì)出的樣機(jī)在流量測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行管道測(cè)試，得到流量計(jì)主要的性能指標(biāo)。主要的研究工作和結(jié)論如下：
（1）利用 CFD 軟件對(duì)常見(jiàn)的均速管探測(cè)頭的截面形狀進(jìn)行繞流分析，與設(shè)計(jì)的新型探測(cè)頭截面形狀進(jìn)行對(duì)比，確定了設(shè)計(jì)的探測(cè)頭可以得到更好的性能。
（2）完成了插入式差壓流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要的裝配工藝設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有流量檢測(cè)涉及的傳感器的選型，包括差壓、氣體絕壓、溫度傳感器等。選用合理的裝配工藝，使得流量計(jì)可以工作在高溫高壓的工作環(huán)境中。
（3）完成了對(duì)插入式差壓流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)。硬件部分主要有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、電源轉(zhuǎn)換、SDI 通信等模塊。同時(shí)對(duì)差壓流量計(jì)軟件部分進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)。
（4）完成了插入式差壓流量計(jì)的測(cè)試。對(duì)差壓流量計(jì)進(jìn)行了雙向測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，計(jì)算出了流量計(jì)的流量測(cè)試誤差、儀表系數(shù)、線性度、重復(fù)度等性能指標(biāo)。對(duì)影響流量計(jì)精度的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以減小影響因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：41306