流量监测本课题的来源及研究对象(一)

流量监测本课题的来源及研究对象

石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义。目前国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。

除此以外, 为了使高粘度的石油得到开采，就得在开采过程中直接加入降粘剂，如果加少了，石油抽不上来，加多了又造成经济浪费，由此引出了这个恒流量的控制系统。

综上所述，无论是在石油的开采过程中注入降粘剂，还是在石油的计量及运输过程中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。因此，本课题就是针对这一具体实际要求，通过对当前一些相关领域的分析和研究，设计出了一种基于AT89C51单片机的控制系统。

本系统的研究对象就是液体如石油、水等的流量，通过对流量的检测，完成对流量的控制。流量有瞬时流量和累积流量两种单位。瞬时流量指单位时间内通过管道横截面的流体的数量；累积流量指一段时间内的总流量。瞬时流量可以用体积流量、质量流量和重量流量三种方法来表示，而前两种表示方法最为常用。除了上述瞬时流量之外，生产过程中有时还需要测量某段时间之内流体通过的累积总量，称为累积流量，也常被称为总流量。质量总量以M表示，体积流量以Qv表示。流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。

（1）研究内容：本课题的主要研究内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课题的核心。硬件电路部分，采用AT89C51单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器，AD转换器进行输入，通过控制步进电机带动阀门来控制输出。一些其他的功能，如设定值输入，数码管显示则通过扩展I/O接口芯片8155来完成相应的功能。系统软件设计部分，分别对拨码盘设定值输入，步进电机控制，AD转换控制，数码管显示等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制PID程序。

（2）研究目的及意义：由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。

开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。

1．3 流量计概述

在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。

所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。

1．3．1 流量计的分类

在流体工业中有大量的物料（流体）需要通过管道来传送，如石油生产企业中的石油传输和控制、污水处理企业中的污水传送和检测、化工企业中各种气体的传输和控制。为了提高产品质量，降低生产成本，控制污气污水的排放以保护环境，对管道中流体的测量和控制实现自动化就成为生产过程中必不可少的一项任务。

工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致有四类：差压式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。

差压式流量计主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系，只要设法测出这一压差值，就可求得流量之犬小。属于这一类流量计的有标准节流装置及转子流量计等。节流装置的发展较早，技术成熟而较完善，又因为应用广泛，国际和国内都有这方面的标准；转子流量计又名浮子流量计，它是工业上最常用的一种流量仪表，它具有压力损失小，可以用来测量液体或气体的流量，而且适宜在200mm的小管径上测量。但转子流量计因为其结构上的特点决定了它只能安装在垂直流动的锥形管子上使用，而流体介质的流向应该是自下而上的。

速度式流量计主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的瞬时流量成正比，一段时间内的转数与该时间段的累积总流量成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡沦流量计等。家用自来水表就是典型的叶轮式流量计，叶轮式自来水表比较简单价廉，但精确度不高。涡沦流量计的基本原理是涡轮在流体流动的作用力推动之下不断转动，涡轮转动的角速度，也就是讯号的频率数，它基本上与流体介质的体积流量值成正比，测量这一频率数就可确定流体的瞬时流量和累积流量值。涡轮流量计具有较高的精度，但由于它具有轴承部分，所以影响了仪表的使用范围和寿命，同时还必须严格要求流体纯净。

容积式流量计主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累计的原理。属于这类流量计有椭圆齿轮流量计和腰轮（罗茨）流量计等。椭圆齿轮流量计和腰轮流量计原理相近，通过测量腰轮或齿轮的转数就可知道累计总容积，这种仪表精确度较高，但只适应小流量的测量。

其它类型的流量计有电磁式流量计和超声波流量计等。电磁式流量计利用导体在磁场中运动切割磁力线时，就会产主感应电动势，其方向又右手定则确定，其大小有磁感应强度B、导体在磁场内的长度L、导体的运动速度V三者的乘积决定，这就是法拉第定律。根据此原理可以测导电流体的流量。但是由于感应电势很小，一般为毫伏数量级，故对抗干扰要求很高，且流体必须具有导电性。对于大管径流量方面，电磁式流量计较前面所述的流量计具有较大优势，它可以制成直径3M的流量计。

超声波流量计是一种较新的测量方法，它利用超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且适合于大管径、非导电性、强腐蚀性 的液体或气体流量的测量。

分析比较以上几种流量计的优缺点，前三种中虽然有的测量精度较高，但是都有一定的压力损失，因为这些方法对流动或多或少有些阻力，而且只适用于小管径的流量测量；而电磁式和超声式流量计则可维持管道畅通无阻，或者说压力损失微不足道，而且对于大管径流量测量具有绝对的优势；从电磁式和超声式来比较，超声式对于大管径的流量测量更具有优势，且抗干扰能力比电磁式要强。

一、概述

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制成功的一种流量计，重要用于测量导电液体体积流量。20世纪30年代便有了比较系统的电磁流量计的理论，20世纪50年代开始进入工业应用领域。20世纪

70、80年代电磁流量计技术有了突破性的发展，成为使用广泛的一类仪表，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，可测介质范围也从电导率很低的蒸馏水到电导率很高的液态金属，并有成熟的耐高温高压及高腐蚀性的设计方法。电磁流量计已基本实现小型化、智能化、一体化，并已有0.2级精度的商品化电磁流量计出现。

电磁流量计采用的原理与常见的差压式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造成堵塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。

由电磁流量计的测量过程，不难看出它有以下主要优点：

1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流，如纸浆、泥浆、污水等。此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。

2）流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量。

3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。

4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。

5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。

同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响；结构复杂，成本较高。

二、电磁流量计的结构

在结构上电磁流量传感器由传感器和转换器两部分组成。

测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。

电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统等部分组成。

1．测量管组件

测量管位于传感器中心，它的材料及制造应满足下列要求：

1）必须由不导磁材料制成，以使磁力线能进入被测介质；

2）一般还应由高阻抗材料构成，如玻璃钢或不锈钢，以减小涡电流带俩的损耗。

3）在使用金属做测量管（如不锈钢）时，整根测量管的内侧应涂有绝缘层或衬垫绝缘套管，以避免流体中的电流被管壁短路。

2．磁路系统

磁路系统的作用是要产生一个磁场，而产生的磁场波形由选用的励磁方式决定。励磁方式的不同直接影响到仪表的抗干扰性，常用的有直流励磁、正弦交流励磁、恒电流方波励磁三种。

（1）直流励磁 利用永磁体或者直流电源励磁产生恒定磁场，简单可靠，受交流磁场干扰小。但其显著缺点是直流感应电动势在两个电极表面形成固定的正负极性，引起被测介质电解，电极间电阻增大，感生的流量产生的电动势减小。所以这种方式只适合于非电解质的导电液体（如液态金属）的测量。

（2）正弦交流励磁 利用正弦交流电给电磁流量传感器中的励磁绕组供电，产生交流正弦磁场，能避免直流励磁所带来的电极极化问题，缺点是会带来一系列的磁干扰和噪声，如串模干扰和共模干扰。

创模干扰：在相位上比流量信号滞后90°的干扰信号，途径之一是导电液体和外电路构成的闭合回路在交变磁场作用下产生的感应电动势；其二是被测导电流体形成流柱，在垂直于磁力线的轴向截面上产生涡电流。

共模干扰：频率相位与流量信号一致的干扰信号，产生的主要原因之一是绝缘电阻和分布电容产生分压；之二是杂散电流在地线上产生压降。

实际应用中可采用降低电源频率、严格电磁屏蔽、线路补偿、使用独立地线等方法，减小这些干扰的影响。

（3）恒电流方波励磁 励磁电流大小恒定，克服了直流励磁带来的电极极化问题，但线路较为复杂。

电磁流量转换器的作用是通过内部的线性放大器将传感器输出的毫伏级电压信号放大，并装换成标准电流、电压或频率输出，实现流量的显示、记录、积算等功能。此外，针对相应的励磁方式，内部电路中还应包括抗干扰电路。

三、电磁流量计的选用和安装

（一）选用

电磁流量计的选用应综合使用场合、被测介质、测量要求等因素来考虑。

一般的化工、冶金、污水处理等行业可以选用通用型电磁流量计，有爆炸性危险的场合则应选用防爆型，医药卫生等行业则可选用卫生型。

对于测量精度的选择也应视具体情况而定，应在经济允许范围内追求精度等级高的流量计，例如一些高精度的电磁流量计误差可以达到±（0.5～1）﹪，可用于昂贵介质的精确测量，而一些低精度流量计成本较为低廉，用于对控制调节等一般要求的场合。

被测介质的腐蚀性、磨蚀性、流速、流量等因素也会影响电磁流量计的选择，实际应用中应因情况而合理选择，具体可查询相关手册。

（二）传感器的安装

传感器的安装应注意以下问题：

1）避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所；避免安装在周围有电动机、变压器等可能带来电磁干扰的场合；如果测量对象是两相或多相流体，应避免可能会使流体相分离的场所；避免安装在可能被雨水浸没的场所，避免阳光直射。

2）水平安装时，电极轴应处于水平，防止流体夹带气泡可能引起的电极短时间绝缘；垂直安装时流动方向应向上，可使较轻颗粒上浮离开传感电极区。

3）传感器应采取接地措施以减小干扰的影响。在一般情况下，可通过将参比电极或金属管将管中流体接地，将传感器的接地片与地线相连。如果是非导电的管道或者没有参比电极，可以将流体通过接地环接地。

本控制系统选用常见的电磁流量计作为传感器。

1．4 控制阀概述

& nbsp;控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，犹如人的手和脚。控制阀调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标。 控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。上阀盖和填料函用于对阀杆密封和对阀杆进行导向，防止工艺介质沿控制阀门的阀杆这个可动部件向外泄漏，它是阀体不可分割的一部分。 常规的上阀盖结构形式一般有四种：普通型、散热片型、长颈型和波纹管密封型。材质一般有铸铁、铸钢和不锈钢，填料函一般为聚四氟乙烯或柔性石墨。 典型的控制阀的阀盖由与阀体相同的材料或等效的材料制成。阀盖承受与阀体相同的温度和腐蚀性影响，阀杆密封在经过几百次的循环动作之后，就会磨损，在工程应用中，流体压力也会导致密封磨损；填料的选择也是一个问题，填料选择不当，控制阀的摩擦力增大而导致控制阀死区增大或者很容易使阀杆密封失效。 因此，选择控制阀，除了阀体结构、材质、执行机构、口径计算外，还应根据控制流体的压力、温度、压差、流体的性质，合理选择上阀盖的结构形式和填料函，以防止流体沿着控制阀阀杆泄漏出来，即应充分考虑阀杆密封的性能和使用寿命。这在工程设计中显得非常重要。 在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺流体中，控制阀一般不采用普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构形式，因为此种结构形式的密封性能和使用寿命极为有限。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺条件下，一旦阀杆密封被破坏，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质从控制阀阀杆中泄漏出来，会对周边环境和人身安全带来严重的后果。

采用波纹管密封型形式是解决上述问题的一个途径。波纹管一般由不锈钢做成。这种特殊的阀盖结构保护控制阀的填料函避免和流体接触，一旦波纹管破裂，在波纹管上面的填料函结构会防止波纹管破裂失效时产生的严重后果。在工程实际中，波纹管密封形式的选择应充分考虑波纹管密封的压力的额定值会随温度的增高而降低，流体中不能有固体的颗粒存在，及波纹管材料的最长循环动作寿命等。在不锈钢不耐某些工艺介质腐蚀的强腐蚀的场所，如工艺介质为湿氯气时，湿氯气中含有的微量盐酸会使不锈钢波纹管很快被腐蚀，则控制阀阀杆不能采用波纹管密封的形式。

本控制系统采用由步进电机带动的控制阀。