管道内原油流量的测控系统.pdf

1 1设计概要本次课程设计是为测控仪表及装置课程而开设的综合实践教学环节本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的 PID 控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识本文主要介绍的是一套管道内原油流量测控系统，通过在管内安装一个涡轮流量计来检测管道内原油的流量然后对涡轮流量传感器提供的信号通过PID 调节器进行分析处理，最后对流量数字信号进行定量计数检测，根据数字量检测结果在电路上实现以流量单位进行计量显示测量精度小于5%并且能够根据预先置定的数字对流量进行设定，当流量未达到设定值（或超过设定值）时，发出控制信号执行某种动作控制调节阀动作来增大（或减小）开度，来实现流量的控制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 18 页 -2 2 流量测控系统方案2.1 控制系统工艺流程由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统如图1-1 所示。

图中控制对象代表生产过程中的某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量这些被控变量首先由测控元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号该信号送到调节器中，与给定值相比较调节器按照比较后得出的偏差，以一定的调节规律发出控制信号，控制执行器的动作，改变被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止图 2.1 简单控制系统方框图一个控制系统除了图中表示的几种控制仪表以外，还可以根据需要设置转换器、操作器、运算显示装置和各种仪表系统，以完成复杂的控制任务名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 18 页 -3 2.2 设计思想要求给定流量范围为200t/h，超调量不超过5%，稳态误差不超过5%.设计的关键在于管道中原油流量的检测和控制，分别可以通过选择合适的流量计、和流量积分演算智能调节器、电动调节阀完成相关功能另外，原油流量有固定要求（200t/h；恒值控制），流量计把石油流量信号转换为脉冲频率信号,由控制器对脉冲频率信号进行处理、计算,得出流量值,传给显示器,进行显示同时控制器与远程控制器进行实时数据交换,实现远程控制液晶显示器实时显示控制器输出的流量值.设原油密度均匀与目标系统原油组分密度粘度等参数均一致，通过实验标定当满足要求（200t/h）时，涡轮流量计产生相应的脉冲，将该值输入智能控制器即可实现恒值控制。

而且，该智能控制器不仅能自整定，偏差自动计算与纠正，而且兼有控制失灵报警以及显示仪表的功能系统内全部构件均采用智能标准接口，具有连接简单快速稳定安全的优点总体设计流程图如下：给定量 Qs 偏差 Qi 调节器D/A 调节阀流量对象内容器扰动 f 流量变送器A/D 反馈 Qf-+图 2.2 内容器单闭环流量控制系统方块流程图PID 智能调节器被控制量Q1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 18 页 -4 给定量Q1s 智能控制器FC1 调节阀 VL1 原油流量流量检测及变送器FT1 反馈Q1f+-Q1 图 2.3 单闭环原油流量控制流程图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 18 页 -5 3 管道内原油流量测控系统的实现31 涡轮传感器部分传感器在整个流量控制系统中起到的作用是将液体流量转换成电脉冲涡轮传感器由涡轮、轴承、前置放大器等部分构成，前置放大器有磁感应转换器和放大整形电路两部分组成当液体流过涡轮流量传感器的时候，冲击涡轮，使涡轮转动，壳体内部的永久磁钢产生磁力线，涡轮叶片拥有导磁性在涡轮转动的时候，叶片切割磁感应线引起壳体外部磁电感应系统的磁阻值改变，产生脉冲信号，在一定的流量范围内，产生的脉冲信号的数量与流量成正比。

3.1.1 涡轮流量计的工作原理涡轮流量计的原理示意图如图3.1 所示在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量图 3.1 涡轮流量计的原理示意图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 18 页 -6 涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测由于叶片有导磁性，它处于永久磁钢和线圈组成的信号检测器的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，这些磁力线是由壳体内永久磁钢产生的，当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化这样周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量3.1.2 涡轮流量计的构造流体从机壳的进口流入通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上。

在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号主要部件：1）涡轮涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片叶片数量根据直径变化而不同，224 片不等为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小对涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角1015（气体），3045（液体）；叶片重叠度 P为 112；叶片与内壳间的间隙为051mm在这里主要参照液体的结构参数名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 18 页 -7 S N 磁 铁放大施 密特 电路电压调整接信号接收器电源接收电阻图 3.2 水力平衡原理示意图2）轴承涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好这里特别说明，由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，这方法的原理见图3.2 所示由于涡轮处直径DH略小于前后支架处直径Ds，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升P，这个P的静压将起到抵消部分轴向推力的作用图 3.3 涡轮流量计前置放大器原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 18 页 -8 3）前置放大器前置放大器工作框图如图 3.3 所示。

前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比比例系数为vfkq（f涡轮流量计输出脉冲频率；vq 通过流量计的流量）该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数3.1.3 涡轮流量计的特点涡轮流量计是一种有很多优点的流量仪表归纳起来，它有如下特点1）准确度高涡轮流量计的准确度在（01）左右性流量范围内，即使流量发生变化，累积流量准确度也不会降低并且在短时间内，涡轮流量计的再现性可达02）量程比宽涡轮流量计的量程比可达810在同样口径下，涡轮流量计的最大流量值大于很多其它流量计3）适应性强涡轮流量计可以做成封闭结构，其转速信号是非接触测量，所以容易实现耐高压设计如果流量计的涡轮和轴承选择耐高温、热膨胀系数小的材料，就可以在较宽的温度范围内使用这时，应注意对它的仪表系数进行修正（主名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 18 页 -9 要是其流通截面的变化）：KK01（R 2 H）（t to）式中K，K0使用时和校验时的仪表系数；t，t0 使用时和校验时的流体温度；R，H分别为涡轮和机壳的材料膨胀系数。

4）数字信号输出涡轮流量计输出为与流量成正比的脉冲数字信号它具有在传输过程中准确度不降低、易于累积、易于送入计算机系统的优点3.1.4 涡轮流量计的安装使用要想充分发挥涡轮流量计的特点，在流量计的安装使用上还必须加以充分注意下面概要讨论一下这方面的问题a）被测介质涡轮流量计所测得的液体，一般是低粘度的（一般应小于15l0 6m2 s）、低腐蚀性的液体虽然目前已经有用于各种介质测量的涡轮流量计，但对高温、高粘度、强腐蚀介质的测量仍需仔细考虑，采取相应的措施当介质粘度v 大于 15l0 6m2 s 时，流量计的仪表系数必须进行实液标定，否则会产生较大的误差汽液两相流、气固两相流、浓固两相流均不能用涡轮流量计进行测量b）安装配管要求流量计的安装情况对流量计的测量准确度影响很大1）流速分布不均和管内二次流的存在是影响涡轮流量计测量准确度的重要因素所以，涡轮流量计对上、下游直管段有定要求对于工业测量，一般要求上游20D，下游 5D的直管长度为消除二次流动，最好在上游端加装整流器若上游端能保证有20D 左右的直管段，并加装名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 18 页 -10 整流器，可使流量计的测量准确度达到标定时的准确度等级。

2）涡轮流量计对流体的清洁度有较高要求，在流量计前须安装过滤器来保证流体的清洁过滤器可采用漏斗型的，其本身清洁度，可测其两端的差压变化得到3）为保证通过流量计的液体是单相的，即不能让空气或蒸气进入流量计，在流量计上游必要时应装消气器对于易气化的液体，在流量计下游必须保证一定背压该背压的大小可取最大流量下流量传感器压降的二倍加上最高温度下被测液体蒸气压的1.2 倍图 3.4 涡轮传感器的结构图1 壳体 6 反推体2 导流件 7 导流件3 锥体 8 长轴4 轴承系统 9 螺母5 叶轮 10 信号检测器c）信号传输线名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 18 页 -11 为了保证显示仪表对涡轮传感器输出的脉冲信号有足够的灵敏度，就要提高信噪比为此，在安装时应防止各种电干扰现象，即电磁感应，静电及电容耦合所以，在配置信号传输线时，必须注意如下几点：1）限制信号线的最大长度信号线的最大长度为，LdV；其中，V为在最小流量时传感线圈的输出电压有效值，mV；d 为系数，m mV，其值可取：V1000mV 时，d10；1000 mV d5000 mV时，d15；V5000mV 时，d2。

02）信号传输线应采用屏蔽电缆，以防来自外部的感应噪声要求传输电缆在显示仪表端屏蔽接地传输电缆不能靠近强电磁设备，不允许与动力线乎行布置3）运转维护当涡轮流量计的管道需要清洗时，必须开旁路，清洗液体不能通过流量计管道系统启动时必须先开旁路，以防止流速突然增加，引起涡轮转速过大而损坏涡轮流量计轴承应定期更换，一般可根据小流量特性变化来观察其轴承的磨损情况3.2 涡轮流量计检测部分检测部分主要是由涡轮传感器，磁电转换及前置放大部分构成涡轮传感器的检测是通过涡轮的叶轮转动次数来完成的，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 18 页 -12 3.2.1 信号处理部分信号处理部分主要由信号接收换能器和DSP构成信号调理电路由接收换能器、三级放大电路、滤波电路和包络检波电路组成前置放大器由MAX410 仪表用放大器模块构成，二级放大。