第 1 章 緒   論

1.1 課題來源及研究背景和意義
本課題是校企合作項目，企業(yè)是深圳某一高新技術(shù)公司，項目的名稱是“插入式差壓流量計的研究”。 流量是現(xiàn)實生活中常見的被測量對象，流量的測量大多采用專用的商業(yè)化流量計，測量單位一般為立方米每小時、升每分鐘。流量計的種類眾多，它主要的分類方法主要有以下幾種。根據(jù)流量計工作原理的不同，主要有熱式、差壓式、超聲波式、電磁式、渦輪、渦街流量計等；根據(jù)流量計的安裝方式的不同，分為管道式、插入式、粘附式流量計等；根據(jù)被測流體介質(zhì)狀態(tài)的不同，可以分為氣體、液體流量計等[1-3]。流量是工業(yè)應(yīng)用中重要計量單位，流量計在工業(yè)測量領(lǐng)域應(yīng)用很廣，在能源傳輸、流體檢測、電力工程等各個領(lǐng)域占有重要的位置。特別是資源危機、人口膨脹的我國，在國家號召節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，需要精度更高的流量計來滿足測量要求[4,5]。 差壓式流量計作為傳統(tǒng)流量計應(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]。壓差檢測裝置和壓差發(fā)生裝置是構(gòu)成差壓式流量計的最重要部分。差壓流量計作為檢測流體平均速度的裝置，工作原理是流體介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差與流速之間存在一定關(guān)系來進行測定流量的。差壓式流量計廣泛應(yīng)用于流量檢測、能源傳輸?shù)阮I(lǐng)域。 差壓式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、成本較低、不易受流體介質(zhì)影響等優(yōu)勢，缺點是大部分的標準節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且尺寸較大，對安裝定位的要求很高[9,10]。市場上差壓式流量計大都是管道式的差壓流量計，管道式差壓流量計安裝比較復(fù)雜，限制了管道式差壓式流量計的推廣。為了克服管道式流量計的以上弊端，同樣根據(jù)傳統(tǒng)差壓流量計工作原理，均速管流量計在流量計市場上得到越來越多的應(yīng)用，管道式均速管流量計結(jié)構(gòu)圖見圖 1-1，插入式均速管流量計見圖 1-2。均速管流量計有效的克服了傳統(tǒng)壓差發(fā)生裝置的體積限制，可以方便的進行安裝。但是均速管流量計往往對測試管道的的尺寸有特定要求，同一規(guī)格的流量計只適用于同一規(guī)格的管徑，通用性差。本文目的是設(shè)計一種新型插入式差壓流量計，增強均速管流量計的通用性。 
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1.2 均速管流量計的特性
作為歷史發(fā)展較短的的差壓流量計一種，均速管流量計近年來越加受到市場的關(guān)注，更多的企業(yè)開始使用均速管流量計。均速管流量計與傳統(tǒng)式差壓流量計 相比，均速管流量計的優(yōu)勢如下[11,12]： （1）結(jié)構(gòu)組成簡單，安裝便捷，維護成本低。 （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)的差壓流量計如孔板式流量計的壓力損失大，最大達到了壓差的 80%，而均速管流量計壓力損失最少可以達到壓差的 2%，最多為壓差的 15%，這樣就降低了運行成本，它的每年的運行費用只有孔板的 2%~3%，所以均速管流量計應(yīng)用在能源傳輸領(lǐng)域中，可以大大地節(jié)省運營成本。 （3）適用管徑范圍大。隨著現(xiàn)在能源行業(yè)管道的增大，在大管徑運輸?shù)臈l件下，傳統(tǒng)的差壓流量計失去了成本優(yōu)勢，均速管流量計的測量管徑范圍最大可以達到 9 m，最小可以達到 25 mm，管徑越大，測量結(jié)果越精確。均速管流量計可以測量的流體介質(zhì)種類多。 （4）性能穩(wěn)定，安裝方便。由于組成均速管流量計的所有部件都有固定的位置，減小了部件移動對流體測量的影響，穩(wěn)定性能好。市場常見的均速管流量計的精度在 1%左右，穩(wěn)定性每年波動約 1%。 正是由于均速管流量計的以上優(yōu)勢，使得均速管流量計可以在上百種流量計中市場排名在 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，使得均速管流量計也有一些弊端限制了流量測量的精度和使用，主要有以下特點[13,14]。 
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第 2 章 差壓流量計數(shù)學(xué)模型的建立及仿真研究

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

2.1 均速管流量計的工作原理的研究
均速管流量計結(jié)構(gòu)組成圖見圖 2-1。其主要的傳感元件是插入管道中的探測桿，作為最主要的探測部分，很大程度上決定了流量計的測試精度。傳統(tǒng)的均速管差壓流量計的迎流面開有成對的取壓孔，迎流面所測得壓力是總壓，一般背流面的取壓孔位置設(shè)在管道的軸線中心處，測試得出的壓力值是流體的靜壓值。均速管流量計就是利用迎流面與背流面分別測得的全壓與靜壓的關(guān)系來測試管道流速的，進而得到管道的氣體流量。
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2.2 CFD軟件與流體運動控制方程
隨著計算機軟硬件性能的提高和對流體力學(xué)理論研究的深入，越來越多的流體仿真軟件即 CFD 軟件得到了越來越廣泛的使用。CFD 軟件可以對實際的流體建模并進行數(shù)值仿真，實踐證明了 CFD 軟件可以很好的模擬流體的實際運動狀況，加快了研發(fā)周期[35,36]。本文首先使用 CFD 軟件對管道內(nèi)流體繞流均速管流量計的截面的模型進行數(shù)值仿真，目的是研發(fā)一種新型的差壓流量計的截面形狀，并對新型的探測截面進行試驗研究。Gambit 是當今應(yīng)用較多的 CFD 前處理軟件，它具有結(jié)構(gòu)清晰，功能強大，簡便易學(xué)等優(yōu)點。Gambit 具有很強的建立模型的能力，可以建立點、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。它可以對導(dǎo)入的 CAD 模型進行自動修復(fù)，減小了因模型導(dǎo)入而發(fā)生的微小變形，不會影響導(dǎo)入模型的精度。Gambit 前處理軟件可以自動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的網(wǎng)格文件，可以輕松的導(dǎo)入不同的 CFD軟件中進行數(shù)值計算。Fluent 軟件是應(yīng)用最多的商用流體仿真軟件，模擬真實的流場可以有效節(jié)約物質(zhì)與時間成本，計算結(jié)果精度高、速度快，與真實流場的吻合度高，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眾多，有 k-ε 模型、k-ω 模型等，同時支持用戶使用自己設(shè)計的湍流模型。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  差壓流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......... 18 
3.1  流量計的傳感器選型 ......... 19 
3.1.1  壓差信號采集與校準 .......... 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  差壓流量計關(guān)鍵部件的焊接工藝 ..... 27 
3.2.1  導(dǎo)氣管與探測頭焊接的工藝 ...... 27 
3.2.2  激光焊接 ...... 28 
3.3  差壓流量計關(guān)鍵部件密封設(shè)計 ......... 28
3.4  本章小結(jié) ..... 30 
第 4 章  差壓流量計的硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計 ...... 31 
4.1  硬件電路設(shè)計 ..... 31
4.2  差壓流量機的軟件設(shè)計 ..... 35 
4.2.1  主程序設(shè)計 .......... 35 
4.2.2  數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 ...... 37 
4.2.3  流量計算模塊的設(shè)計 .......... 37 
4.3  本章小結(jié) ..... 38 
第 5 章 差壓流量計的測試平臺與測量 ...... 39 
5.1  測試平臺的組成 ......... 39 
5.2  樣機的性能指標測試 ......... 40 
5.3  差壓流量計誤差分析 ......... 47 
5.4  本章小結(jié) ..... 48 

第 5 章 差壓流量計的測試平臺與測量

完成了新型差壓流量計的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件電路的設(shè)計和軟件設(shè)計之后，制造差壓流量計的各個零件并裝配樣機，為了得到新型差壓流量計的性能指標，還要對完成的差壓流量計樣機在測試系統(tǒng)上進行管道測試，測試差壓流量計的各個性能指標是否滿足性能指標要求，然后對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，進而對插入式差壓流量計進行改進。

5.1 測試平臺的組成

差壓流量計的測試校準可以由專業(yè)的計量院進行檢測，由于合作單位具有多年的流量計研發(fā)經(jīng)驗，本測試的實驗平臺是公司已有的流量計校驗系統(tǒng)，該校驗系統(tǒng)的簡易結(jié)構(gòu)圖見圖 5-1，實際的校驗系統(tǒng)組成圖見圖 5-2。測試平臺主要包括以下幾個主要部分：空氣壓縮機部分，它的作用是產(chǎn)生一定壓力的壓縮空氣，用于流量計的校驗；電機部分，產(chǎn)生具有一定流速的的壓縮空氣；儲氣罐，用于儲存一定的穩(wěn)壓壓縮空氣，氣體壓力的穩(wěn)定對于流量校驗具有重大意義；標準表，該校驗系統(tǒng)采用的標準表是高精度等級的渦輪流量計，用于對管道內(nèi)的壓縮空氣進行流量測量，為被測流量計提供精確參照；校驗系統(tǒng)還包括了壓力變送器和溫度傳感器件，用于對校驗系統(tǒng)壓力和溫度的監(jiān)控；校驗系統(tǒng)還包括空氣過濾器，總氣路和分支管道的電磁閥，溫度調(diào)節(jié)器等裝置；校驗系統(tǒng)有工控機作為主要的控制系統(tǒng)，用于檢測管道內(nèi)氣壓、溫度等參數(shù)，控制各種管道閥門的開關(guān)，管道內(nèi)流體的流速大小等。 

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結(jié)   論

傳統(tǒng)的均速管流量計對被測試氣體管道管徑有嚴格的要求，即統(tǒng)一規(guī)格的均速管流量計只能用于測量特定管徑的管道。為了提高均速管流量計的通用性，由傳統(tǒng)的全管式探測桿、多對取壓孔改為半管式、一對取壓孔的結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計了新型的探測頭截面形狀，使得探測頭的測量結(jié)果更加穩(wěn)定。并對設(shè)計出的樣機在流量測試平臺上進行管道測試，得到流量計主要的性能指標。主要的研究工作和結(jié)論如下：
（1）利用 CFD 軟件對常見的均速管探測頭的截面形狀進行繞流分析，與設(shè)計的新型探測頭截面形狀進行對比，確定了設(shè)計的探測頭可以得到更好的性能。
（2）完成了插入式差壓流量計的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要的裝配工藝設(shè)計。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有流量檢測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，使得流量計可以工作在高溫高壓的工作環(huán)境中。
（3）完成了對插入式差壓流量計的硬件電路設(shè)計和軟件部分的設(shè)計。硬件部分主要有信號采集、數(shù)據(jù)處理、電源轉(zhuǎn)換、SDI 通信等模塊。同時對差壓流量計軟件部分進行了框架設(shè)計。
（4）完成了插入式差壓流量計的測試。對差壓流量計進行了雙向測量，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，計算出了流量計的流量測試誤差、儀表系數(shù)、線性度、重復(fù)度等性能指標。對影響流量計精度的因素進行了詳細的分析，以減小影響因素對測試結(jié)果的影響。 
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參考文獻(略)

本文編號：41306