00气体流量标准装置的设计及实现.doc
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1、目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1气体流量标准装置的发展现状21.2气体流量标准装置的分类31.3气体流量标准装置种类介绍31.3.1 PVTt法气体流量标准装置31.3.2 Mt法气体流量标准装置41.3.3皂膜气体流量标准装置41.3.4钟罩式气体流量标准装置41.3.5临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置41.4本论文的任务与内容4第2章 装置原理62.1临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置原理62.2临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置组成72.3临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置特点8第3章 装置控制系统设计与实现93.1设计依据及技术指标93.1.1装置技术方案构成103.1
2、.2工艺流程简述103.2控制系统功能113.2.1 控制系统硬件和软件113.2.2控制系统硬件接口123.2.3控制系统软件功能123.3控制系统原理图133.4真空泵控制柜设计133.4.1真空泵控制柜设计图133.4.2真空泵电控柜端子功能图173.5继电器控制柜设计183.5.1继电器控制柜设计图183.5.2继电器电控柜接线图193.6现场线路设计203.6.1检定管线、滞止容器、背流管处线路203.6.2气源处线路273.6.3柜台间处线路283.6.4般插引脚定义29第4章 装置采集系统设计及数据处理314.1 采集系统及功能314.2采集模块及功能314.2.1AD模块1参数
3、及功能描述334.2.1.1AD模块1技术指标334.2.1.2 AD模块1主要功能334.2.2 IO模块1参数及功能描述354.2.2.1 IO模块1技术指标354.2.2.2IO模块1主要功能354.2.3 IO模块2参数及功能描述374.2.3.1IO模块2技术指标374.2.3.2IO模块2主要功能374.2.4 计数模块控制过程384.2.4.1 手动方式384.2.4.2时间方式394.2.5 AD模块1控制过程394.2.5.1 手动方式394.2.5.2时间方式394.3数据处理394.3.1气体流量标准装置标准器流量计算394.3.2 差压式流量计计算404.3.3 速度式
4、流量计计算414.3.4 容积式流量计计算43第5章 装置系统的测试465.1系统不确定度分析与评定465.2 测试及试运行495.2.1 气体流量标准装置系统图495.2.2 气体流量标准装置测试49结 论51致 谢52参考文献53西南交通大学网络教育毕业设计(论文) II摘 要本文主要介绍了气体流量标准装置的发展现状、分类、原理等;同时重点介绍了以临界流文丘里喷嘴为标准表的气体流量标准装置的设计、组成、控制、数据采集处理及实现。临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置是基于上位机为基础,通过对下位机的控制及数据采集,来实现对流量计计量性能的测试,确保量值传递准确可靠。关键词:控制,数据采集,临界流
5、文丘里喷嘴,标准装置,量值,上位机AbstractThis article mainly introduced the development status quo of gas flow standard device, classification, principle, etc.; At the same time introduced to critical flow venturi nozzle as a standard table of gas flow standard device design, composition, control, data acquisition,
6、 processing and implementation. Critical flow venturi nozzle gas standard flow standard device is based on the PC as the foundation, through to the lower machine control and data acquisition, to achieve the performance of the flowmeter measurement test, to ensure the dissemination of accurate and re
7、liable.Keywords: Control, data acquisition, critical flow venturi nozzle, standard unit, quantity, PC西南交通大学网络教育毕业设计(论文) 第 54 页第1章 绪论流量计量是计量科学的重要组成部分,流量计量与测试技术在各领域得到了广泛的应用,并推动和支持了国民经济的不断发展。它在贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护、医药卫生等方面的检测起到了主要作用。特别是近年来随着能源和水资源的全球性匮乏,随着西气东输、南水北调等国家重点工程的启动,全社会对流量计量的测试技术的要求越来越高。因此,研究和探索
8、满足各种使用条件的流量测试技术并提高测量准确度就成为流量计量与测试工作者的不懈努力的追求。流量计量应用在各种不同场合和不同条件;流体介质有气体、液体、还有特殊介质(如两相流、多相流)。流体的参数(如粘度、密度、清洁程度、压力、温度和流动状态)等有较大的差异,流体计量与测试又是动态特性,流体介质又那么复杂,对流量计量器具(流量标准装置)在结构、原理、工艺、电信号的处理都提出智能化很高的要求,给流量计量与测试技术留下了无数的技术难题,要流量计量技术人员去研究、探讨和解决。虽然近年来,流量计量与测试技术有突飞猛进的发展,但离国民经济发展要求还有较大的距离。我们在测量流量时所选用的流量计,除去要满足使
9、用条件外,还有考虑很多其它因素,如流量范围、准确度、抗干扰、压力损失、奶腐蚀性、防爆、安全、价格等。因此,为适应不同的介质和环境条件,不同的使用要求,各种流量仪表就应运而生。应给说,每一种类流量计在市场经济浪潮中都显示出顽强的生命力。但各种流量计在性能上各有独特之处,需要人们认真地分析其特点。实际上在许多情况下,都没有将流量计使用到它们最适合的场所,导致计量不准,容易损坏等。因此,客观公正地描述各种流量计特点,引导用户正确地选用流量计是流量计量为测试技术工作者的神圣职责。保证流量计量仪表的准确一致也是我们的职责。为了保证流量仪表的质量,在计量系统和各流量计生产企业均建立了不同介质、不同流量范围
10、、不同精度的流量标准装置。如果说我国液体流量测量手段已基本满足要求的话,气体流量测量装置还远未解决。流量标准装置的研究、建立、和应用也是流量计与测试技术发展的主要环节,理所当然的会引起国内外的普遍重视。1.1气体流量标准装置的发展现状近年来,国内外建造气体流量标准装置非常活跃,我国也不例外,尤其以接近现场压力、温度条件下的气体装置更是热门。总的方向都是用原始法和标准表法结合起来建立的装置。如中国国家原油大流量计量站用Mt法和音速文丘里喷嘴建立的天然气实流计量装置,其最大操作压力为9.6MPa,工况流量为12000 m3/h,测量准确度为0.25%,最大可检定仪表口径DN400;德国PTB建立的
11、大型气体流量标准装置,用16只音速文丘里喷嘴作标准,通过并联5只喷嘴,可获得流量范围为(505500m)m3/h、不确定度不超过0.1%;印度流体控制研究所(FCRI)于1999年调试完成用9只音速喷嘴建立的气体流量标准装置,流量范围为(323000) m3/h、不确定度不超过0.35%;美国煤气研究所(GRI)于1987年建立的气体流量标准装置,有低压回路(LLPL)、高压回路(HPL)、和分配试验站(DTS),这些回路采用的标准均为临界流文丘里喷嘴,再设置秤作为原始标准以校验临界流文丘里喷嘴,可检测仪表口径DN25DN400、流量范围(70135000) m3/h、压力(489930)kP
12、a,气体温度(-750),测量介质为空气、氮气和天然气;瑞典Lund技术院建立了一种钟罩和秤量装置相结合的气体流量标准装置,不确定度小于0.17%,初期用空气,以后用天然气;巴西IPT(Institute Pesguisas Techoeogicas 巴西科学技术院)建立了10只ISA1932型喷嘴组成的气体流量标准装置,压力为4kPa,流量范围为(100050000) m3/h,不确定度为(0.50.8)%。流量计量已发展到精细化的时代,在能源越来越昂贵的今天,任何微小的标准量值的差异将导致严重的经济利益矛盾。20世纪70年代发生能源危机到现在,人们都意识到用廉价能源的时代将一去不复返,而世
13、界能源供需体系变得更为不稳定和不可预测。能源价格的飞涨威胁着蓬勃发展而又十分脆弱的经济体系,天然气和原油测量计量的准确性成为流量技术人员关注的焦点。在世界范围内,流量计量标准的正确一致成为研究的最主要课题之一,其主要内容就是确保流量标准装置的量值准确。用标准表法建立气体流量标准装置格外引人关注,标准表可作为次级标准检定流量计,也可以作为装置的比对标准,因此得到了广泛的采用。常用的标准表有临界流文丘里喷嘴、超声波、涡轮流量计、容积式流量计和质量流量计等。我国使用涡轮、电磁、音速喷嘴等标准表作为流量标准装置已有一段历史。但到现在为止,标准表没有被大家所充分认识,有些问题还要深入细致地研究。以临界流
14、文丘里喷嘴为标准表的气体流量标准装置以性能稳定、可靠性高,成为未来标准装置技术的发展趋势,已得到国际上的高度重视。1.2气体流量标准装置的分类气体流量标准装置可以分成原始标准和传递标准两大类,目前国际上已经开发出多种型式的装置,如图1.1所示。原始标准有容积法和质量法两类装置,各类装置有静态法和动态法之分。如容积法中PVTt(压力、容积、温度、时间)法属于静态容积法装置,钟罩式、气体体积管、皂膜式等属于动态容积法装置,其中,钟罩式也可用于静态容积法;质量法中质量时间(Mt)法属于静态质量法。气体流量标准装置按标准器分类,分为质量法(MT法)、体积管法、以流量计为标准表的标准表法装置和以音速喷嘴
15、为标准表的标准表法装置四种。其中最常用的是以音速喷嘴为标准表的标准表法气体流量标准装置。对于小流量和燃气表用钟罩式流量标准装置。方法的选择根据用户的需求,方便用户的使用。本课题研究的气体流量标准装置是采用音速喷嘴做为标准器。根据流量计不同种类、不同流量范围而灵活方便选择喷嘴组合。图1.1气体流量标准装置的分类1.3气体流量标准装置种类介绍1.3.1 PVTt法气体流量标准装置PVTt法是利用一个导向阀将检定时间间隔t内的被测气体导入一个已知容积V的定容罐内,当定容罐内气体处于稳定的平衡状态后,测量其压力P和温度T,从而复现气体质量流量的一种标准装置。通常用于检定作为传递标准的音速喷嘴,也可检定
16、其他高精度流量计,系统精度一般可优于0.1%。1.3.2 Mt法气体流量标准装置Mt法是一种通过测量某一时间间隔t内储气罐内气体质量M的变化来复现气体质量流量的标准装置。从原理上讲,Mt法是复现质量流量最直接、也是精确度最高的方法。因为质量和时间都是基本量,它们的量值可得到最直接的传递。1.3.3皂膜气体流量标准装置皂膜气体流量标准装置只能用于校验小流量仪表,属于动态容积法装置,皂膜管容积有(106000)mL之间多种规格,装置系统精度等级通常为(12)级,皂膜气体流量标准装置容积大于1000mL的装置,在严格操作的条件下可达到0.5级。1.3.4钟罩式气体流量标准装置钟罩式气体流量标准装置是
17、检定气体流量传递标准和气体流量仪表的主要设备之一,在国内外已大量使用。这种装置的工作压力一般小于10000Pa,最大流量由钟罩的体积及测试技术决定,目前国内定型产品的钟罩容积有(5010000)L之间多种规格,测量的最大流量可达45000 m3/h,装置准确度一般优于0.5%,最高可达0.2%。1.3.5临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置是检定气体流量传递标准和气体流量仪表的主要设备之一,在国内外已大量使用。这种装置的工作压力负压,流量范围由开关不同的流量喷嘴进行组合决定,目前国内定型产品的流量范围在(120000)m3/h之间,装置准确度一般优于0.5%,最高可
18、达0.25%。临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的详细介绍将在下一章中详细说明。1.4本论文的任务与内容 流量标准装置的主要用途有:作为流量单位量值的统一与传递的标准,确保我国各地区和各部门的流量量值统一在一个标准量值上;进行流量仪表的型式、性能实验研究工作;研究参比条件和实际使用条件之间的差异对流量仪表的影响;为研究测试方法和制定国家标准提供验证;进行国内外量值比对工作及为贸易纠纷提供仲裁服务等。流量是由质量、长度、时间和温度组成的导出量,所有的原始流量标准装置都可以溯源到这几个基本量,而不是溯源到一个实体的基准器,以至常因溯源的复杂性导致各装置给出的量值不准确和不一致。本课题主要任务是研究设
19、计一套高精度的气体流量标准装置,以临界流文丘里喷嘴为标准表法,采用以上位机为基础,通过对下位机的控制及数据采集,来实现对流量计计量性能的测试,确保整套装置符合国家标准,量值溯源准确可靠。本文对临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的设计依据、原理、结构及自动化控制和数据采集的实现将做详细的介绍。第2章 装置原理临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置,选用符合国际标准(ISO9300)的临界流文丘利喷嘴作为流量标准,采用标准流量计比较法原理进行流量计检定或测试。依据有关的国家检定规程,该装置可对涡轮、涡街、叶轮、旋进旋涡、分流旋翼超声波等速度式流量计和腰轮、燃气表等容积式流量表以及质量流量计、差压式流量计
20、等进行检定和校准。在满足对不同类型流量计进行检定的前提下,该装置要求准确度高,范围度宽,自动化程度高,结构简单轻便等特点。可应用于石油、化工、冶金、电力、城市煤气等行业中气体流量计的检定或测试,尤其适用于被检流量计类型繁杂、检定工作面广、量大的计量测试单位和大型工矿企业。以临界流文丘里喷嘴为标准表的气体流量流量标准装置主要用于气体流量仪表的检测。整套装置设计和制造严格按照国家相关标准和检定规程。它不仅能更好保证量值传递的准确可靠,而且使用临界流文丘里喷嘴具有长期的稳定性。整套装置的控制采用计算机技术,除人工把被检流量计夹入夹表器后,其它操作均在计算机上操作完成。上位机采用性能稳定可靠的工业计算
21、机,下位机采用单片机,性能可靠且自动化程度高。工业计算机完成数据的设置、处理、存储等功能;下位机控制系统完成数据采集、控制与隔离功能,如文丘里喷嘴的选择、气动调节阀和变频调速器的控制、被检表、压力变送器、温度变送器信号的采集等。检定完成后,计算机按照规程的要求打印检定数据和检定证书或检定结果通知书,并存储检定数据。2.1临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置原理根据气休动力学原理,当气休通过临界流喷嘴时,在喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下,在喷嘴喉部形成临界流状态,气流达到最大速度(当地音速)。流过喷嘴的气体质量流量也达到最大值qm。此qm只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关,而不受其下
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