摘要 ：本文在調(diào)研我國當前天然氣流量計儀器發(fā)展狀況前提下，從工作原理、設計理念和應用方向等方面，詳細介紹了不同天然氣流量計的異同點，同時分析了壓力、溫度以及操作人員技能等方面對計量準確性的影響，隨后，從具體的測量儀器角度，分別闡述了速度式流量計、容積式流量計以及差壓式流量計對測量精度影響因素。計量儀器性能、介質(zhì)、溫度、測量工況以及部件安裝條件等都會對天然氣計量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，為了提高天然氣計量精度，必須掌握各個計量儀器工作原理以及運行參數(shù)，使儀器參數(shù)達到天然氣計量允許范圍內(nèi)，才能降低天然氣計量偏差，提高計量精度。

1、天然氣流量計類型：
  基于當前天然氣計量儀器的發(fā)展狀況，從測量原理角度分析，天然氣流量計可劃分為5 類，分別為超聲波流量計、渦輪流量計、腰輪流量計、孔板流量計以及皮膜表^[1-4]。各類流量計具體工作原理和特點等如表1 所示。

表1 天然氣流量計設計優(yōu)點和應用方向

2、計量精度影響因素分析：
 
2.1、壓力、溫度：
 天然氣狀態(tài)對壓力與溫度的變化十分敏感，氣體體積在計量標準狀態(tài)下，根據(jù)介質(zhì)材料溫度和壓力，結(jié)合實際天然氣運營情況，合理調(diào)準天然氣標準范圍，可以有效降低計量偏差。在北方，冬夏溫差大，天然氣流量計量誤差范圍3% ～8%，
 倘若未制定介質(zhì)壓力和溫度計量規(guī)范，燃氣公司會有一定程_度損失[1-4]_。
 
2.2、計量環(huán)境溫度：
 天然氣計量精度也受到環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度變化時，測量精度有所降低。長時間處于溫度不穩(wěn)定狀態(tài)會導致儀器出現(xiàn)問題，計量裝置中有一種儀器為流量傳感器，是一種熱膨脹性材料制成的，流量傳感器對工作環(huán)境溫度的變化感知很靈敏。計量環(huán)境溫度很低時，天然氣計量會較慢，計量誤差也會較大，一般為正常計量值的2.6 ～3.9 倍，表明工作環(huán)境溫差變化對計量儀表計量精度影響較大^[5]。
 
2.3、技能與培訓：
 儀器操作人員對計量規(guī)范的認識以及技能的提高，有利于降低人為計量偏差。針對從事流量計量工作的人員，要加強技能培訓和學習，提高計量隊伍整體綜合水平，首先，要了解計量儀表性能，檢測不同壓力和溫差下儀表流量，根據(jù)工作環(huán)境選擇型號、性能合適的計量儀器；其次，對操作人員進行安裝培訓，特別要了解計量器的工作原理，避免因人為操作不當導致計量儀器安裝不對，引起較大的計量偏差。針對上述問題，要加強對工作人員技能培訓，普及天然氣流量計量誤差知識，掌握計量裝置工作原理，才能有效保證燃氣公司天然氣輸送運行狀態(tài)安全。
 
3、不同類型流量計精度影響因素分析：
 
3.1、速度式流量計計量精度分析：
 速度式流量計中使用***為廣泛的是超聲波流量計，速度式流量計還包括渦輪流量計、渦街流量計、旋進渦輪流量計。對速度式流量計計量精度影響較大的因素主要有：
 
(1) 流體密度、粘度。密度和粘度越大，計量阻力越大，計量精度會降低，只有流體流速和流態(tài)均較平穩(wěn)時，才能提高計量精度。
 
(2) 對渦輪流量計安裝要求。測量儀器安裝偏斜也會造成計量誤差。
 
(3) 機械部件。儀器部件尺寸也會對渦輪儀計量結(jié)果產(chǎn)生影響，流體含有雜質(zhì)或者流量計長時間運行，會對成軸承壓產(chǎn)生磨損，計量準確性降低。
 
3.2、容積式流量計計量精度分析：
 
容積式流量計***為典型的是腰輪流量計，計算流量公式如下：
 
q = n·V

部件間隙有關，部件之間的間隙越大，計量誤差越大，計算泄漏量引起的流量誤差公式如下:

E = q∂(1 − ε Q)
 
式中：E 為相對誤差；q 為容室體積；α 為齒輪比常數(shù)；ε 為泄漏量；Q 為流量。
 
在選用流量計的時候，應注意對儀器部件間隙參數(shù)檢查，確保各項參數(shù)在精度允許范圍內(nèi)，才能滿足誤差測量要求。
 
3.3、差壓式流量計計量精度分析：
 
差壓式流量計主要為孔板流量計，對該儀器測量精度影響較大的是天然氣的流體特性、儀器本身性能、以及安裝使用條件等，具體分析如下：
 
(1) 壓力和溫度。環(huán)境溫度和壓力的變化對天然氣密度、壓縮系數(shù)以及粘度都會產(chǎn)生影響，測量流體中含有雜質(zhì)可能會導致部件轉(zhuǎn)角口、管彎處形成沖刷和腐蝕。
 
(2) 儀器性能。流量計儀器孔板厚度、端面平整度、部件的軸度、取壓位置、引壓管位置的設定以及引管長度等，都會對流體積液產(chǎn)生影響，從而計量結(jié)果精度降低。
 
(3) 工況條件。安裝管線合理性直接關系到流量計偏離中心，直管段測量的準確性。同時，環(huán)境溫度、濕度、電磁干擾等對測量儀器有影響。

3.4、產(chǎn)品價格：

價格	¥ 2200.00~8800.00
起批量	≥1 臺

3.5、產(chǎn)品參數(shù)：

建議零售價		加工定制	是	品牌	華云
型號	JY-LUX	類型	旋進旋渦流計	測量范圍	0-100000（m3/h）
精度等級	1.5	公稱通徑	DN20-200（mm）	適用介質(zhì)	氣體
工作壓力	1.0－4.0（MPa）	工作溫度	80（℃）	規(guī)格	DN20-200

一、概述

   智能旋進旋渦流量計是我公司開發(fā)研制的具有國內(nèi)水平的新型氣體流量儀表。該流量計集流量、溫度、壓力檢測功能于一體，并能進行溫度、壓力、壓縮因子自動補償，是石油、化工、電力、冶金等行業(yè)用于氣體計量的理想儀表。可用于各種氣體煤氣、空氣、氫氣、天然氣、氮氣、液化石油氣、過氧化氫、煙道氣、甲烷、丁烷、氯氣、燃氣、沼氣、二氧化碳、氮氣、乙炔、光氣、氧氣、壓縮空氣、氬氣、甲苯、苯、二甲苯、硫化氫、二氧化硫、氨氣等。

1.1產(chǎn)品主要特點 
 

 l        無機械可動部件，不易腐蝕，穩(wěn)定可靠，壽命長，長期運行無須特殊維護；

 l         采用16位電腦芯片，集成度高，體積小，性能好，整機功能強；

 l         智能型流量計集流量探頭、微處理器、壓力、溫度傳感器于一體, 采取內(nèi)置式組合,使結(jié)構更加緊湊，可直接測量流體的流量、壓力和溫度，并自動實時跟蹤補償和壓縮因子修正；

 l         采用雙檢測技術可有效地提高檢測信號強度，并抑制由管線振動引起的干擾；

 l         采用國內(nèi)的智能抗震技術，有效的抑制了震動和壓力波動造成的干擾信號；

 l         采用漢字點陣顯示屏，顯示位數(shù)多，讀數(shù)直觀方便，可直接顯示工作狀態(tài)下的體積流量、標準狀態(tài)下的體積流量、總量，以及介質(zhì)壓力、溫度等參數(shù)；

 l         采用EEPROM技術，參數(shù)設置方便，可保存，并可保存***長達一年的歷史數(shù)據(jù)；

 l         轉(zhuǎn)換器可輸出頻率脈沖、4～20mA模擬信號，并具有RS485接口，可直接與微機聯(lián)網(wǎng)，傳輸距離可達1.2km；

 l         多物理量參數(shù)報警輸出，可由用戶任選其中之一；

 l         流量計表頭可360度旋轉(zhuǎn)，安裝使用簡單方便；

 l         配合本公司的FM型數(shù)據(jù)采集器，可通過因特網(wǎng)或者電話網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳輸

 l         壓力、溫度信號為傳感器輸入方式，互換性強；

 l         整機功耗低，可用內(nèi)電池供電，也可外接電源。

1.2主要用途
 

智能旋進旋渦流量計可廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、城市供氣等行業(yè)測量各種氣體流量，是目前油田和城市天然氣輸配計量和貿(mào)易計量的實惠產(chǎn)品。

二、 結(jié)構與工作原理

2.1流量計結(jié)構流量計

由以下七個基本部件組成（圖1）                                              

1.旋渦發(fā)生體用鋁合金制成，具有一定角度的螺旋葉片，它固定在殼體收縮段前部，強迫流體產(chǎn)生強烈的漩渦流。

⒉ 殼體本身帶有法蘭，并有一定形狀的流體通道，根據(jù)不同的工作壓力，殼體材料可采用鑄鋁合金或不銹鋼。          

⒊ 智能流量計積算儀（原理見圖3）                   

由溫度、壓力檢測模擬通道、流量檢測數(shù)字通道以及微處理單元、液晶驅(qū)動電路和其它輔助電路組成，并配有外輸信號接口。               

4. 溫度傳感器以Pt100鉑電阻為溫度敏感元件，在一定溫度范圍內(nèi)，其電阻值與溫度成對應關系。

5. 壓力傳感器以壓阻式擴散硅橋路為敏感元件，其橋臂電阻在外界壓力作用下會發(fā)生預期變化，因此在一定激勵電流作用下，其兩個輸出端的電位差與外界壓力成正比。

6. 壓電晶體傳感器安裝在靠近殼體擴張段的喉部，可檢測出漩渦進動的頻率信號。

⒎ 消旋器固定在殼體出口段，其作用是消除旋渦流，以減小對下游儀表性能的影響。

2.2工作原理 

   流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線。在入口側(cè)安放一組螺旋型導流葉片，當流體進入流量傳感器時，導流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當流體進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進動現(xiàn)象。該進動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質(zhì)和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉(zhuǎn)進動頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)換為與流速成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進行積算處理，***后在液晶顯示屏上顯示出測量結(jié)果(瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù))。 

2.3流量積算儀工作原理 

 流量積算儀由溫度和壓力檢測模擬通道、流量傳感器通道以及微處理器單元組成，并配有外輸出信號接口，輸出各種信號。流量計中的微處理器按照氣態(tài)方程進行溫壓補償，并自動進行壓縮因子修正，氣態(tài)方程如下：

   ………………(2)  

 式中： QN              ——標況下的體積流量(m3/h)；

QV——工況下的體積流量(m3/h；

Pa ——當?shù)卮髿鈮毫Γ↘Pa）；

P ——流量計取壓孔測量的表壓（KPa）；

PN ——標準狀態(tài)下的大氣壓力（101.325 KPa）；

 TN——標準狀態(tài)下的溫度（293.15K）；

 T ——被測流體的溫度（K）；

ZN ——氣體在標況下的壓縮系數(shù)； Z   ——氣體在工況下的壓縮系數(shù)；

 注：當用鐘罩或負壓標定時取ZN/Z=1，對天然氣(ZN/Z)1/2=FZ為超壓縮因子。按中國石油天然氣總公司的標準SY／T6143－1996中的公式計算。  

三、主要技術參數(shù)與功能

3.1流量計規(guī)格、基本參數(shù)和性能指標（見表1）（表1）

公稱通徑DN（mm）	類型*	流量范圍 (m3/ h)	工作壓力（MPa）	度等級	重復性
15		0.3-20	1.6 2.5 4.0 6.3 10 16	1.0 1.5	小于基本誤差限值的1/3
20		0.5-25
25		1.0～30
32		2.0～60
40		3.0～70
50	A型	3.0～150
	B型	2.5～75
80	A型	20～400
	B型	10～200
100	A型	40～800
	B型	30～600
150	A型	100～1800
	B型	40～900
200		180～3600	1.6;2.5;4.0

 

注：1.準確度：為溫度、壓力修正后的系統(tǒng)精度；    

      2. A、B用以區(qū)別相同通徑不同流量范圍。

3.2標準狀態(tài)條件：P=101.325KPa，T=293.15K

3.3使用條件：環(huán)境溫度：-30℃～+65℃ 相對濕度：5%～95% 介質(zhì)溫度：-20℃～+80℃ 大氣壓力：86KPa～106KPa

3.4電氣性能指標

3.4.1工作電源：

A．外電源：＋24VDC±15%，紋波＜5％，適用于4～20mA輸出、脈沖輸出、報警輸出、RS-485等；       

B．內(nèi)電源：1組3.6V鋰電池（ER26500），當電壓低于3.0V時，出現(xiàn)欠壓指示。  

3.4.2整機功耗：      

A．外電源：<2W;       

B．內(nèi)電源：平均功耗1mW，可連續(xù)使用兩年以上。

3.4.3脈沖輸出方式：

A． 工況脈沖信號，直接將流量傳感器檢測的工況脈沖信號經(jīng)光耦隔離放大輸出，高電平≥20V，低電平≤1V；        

B．  定標脈沖信號，與IC卡閥門控制器配套，高電平幅度≥2.8V，低電平幅度≤0.2V，單位脈沖代表體積量可設定范圍：0.001m3~100m3。單選擇該值時必須注意：定標脈 沖信號頻率應≤900Hz。    

C． 定標脈沖信號，經(jīng)光耦隔離放大輸出，高電平≥20V，低電平≤1V。

3.4.4  RS－485通信（光電隔離），可實現(xiàn)以下功能：

A．采用RS－485接口，可直接與上位機或二次表聯(lián)網(wǎng)，遠傳顯示介質(zhì)的溫度、壓力和經(jīng)溫度、壓力補償后的標準體積流量和標準體積總量；

B．由RS－485接口與HW－Ⅰ數(shù)據(jù)采集器配套，可組成電話網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，一臺數(shù)據(jù)采集器可帶15臺流量計；

C．由RS－485接口與HW－Ⅱ數(shù)據(jù)采集器配套，可組成寬帶網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，由INTERNET傳輸數(shù)據(jù)，一臺數(shù)據(jù)采集器可帶8臺流量計。

3.4.5  4～20mA標準電流信號（光電隔離）       

與標準體積流量成正比，4mA對應0 m3/h， 20 mA對應***大標準體積流量（該值可在一級菜單中進行設置），制式：兩線制或三線制，流量計可根據(jù)所插電流模塊自動識別，并正確輸出。

3.4.6控制信號輸出：

A．下限報警信號（LP）：光電隔離，高低電平報警，報警電平可設定，工作電壓＋12V~+24V，***大負載電流50mA；

B．上限報警信號（UP）：光電隔離，高低電平報警，報警電平可設定，工作電壓＋12V~+24V，***大負載電流50mA；       

C．關閥報警輸出（BC端，IC卡控制器用）：邏輯門電路輸出，正常輸出低電平，幅度≤0.2V；報警輸出高電平，幅度≥2.8V,負載電阻≥100kΩ；

D．電池欠壓報警輸出（BL端，IC卡控制器用）：邏輯門電路輸出，正常輸出低電平，幅度≤0.2V；報警輸出高電平，幅度≥2.8V,負載電阻≥100kΩ；

3.5實時數(shù)據(jù)存儲功能

3.5.1流量計為了適應數(shù)據(jù)管理方面的需要，增加了實時數(shù)據(jù)存儲功能，由設定選擇以下三者之一：

A．起停記錄：***近的1200次起停時間、總量、凈流量記錄。出廠默認項。對應通信協(xié)議由公司另外提供）；

B．日記錄：***近920天的日期、零點時刻的溫度、壓力、標準體積流量和總量記錄。

C．定時間間隔記錄：1200條定時間間隔的日期時間、溫度、壓力、標準體積流量和總量記錄。

3.5.2通過電腦可讀取上述存儲數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)報表、曲線圖供分析。

3.6網(wǎng)絡通信管理軟件功能    

流量計與數(shù)據(jù)采集器配套，可通過電話線或?qū)拵ЬW(wǎng)進行通信，對網(wǎng)絡中的每臺流量計的歷史數(shù)據(jù)及參數(shù)進行讀取與設置，同時通信管理軟件可實現(xiàn)完善的管理功能。

3.7防爆標志：ExdIIBT4;ExiaIICT4 3.8防護等級：IP65 3.9壓力損失流量計實際壓力損失計算公式如下：    …………………(1)

  式中：

ΔP1-——流量計實際壓力損失（KPa）； ρ  ——被測介質(zhì)密度（kg/m3） ΔP -——介質(zhì)為干空氣時流量計的壓力損失(KPa),其特性曲線見下圖 3.10接線口：出線接口為M20×1.5內(nèi)螺紋。  

四、選型與安裝

4.1流量計選型在選型過程中應把握兩條原則；

即：一要保證生產(chǎn)安全，二要保證使用精度。為此必須落實三個選型參數(shù)，即近期和遠期的***大、***小及常用流量(主要用于選定儀表公稱通徑)、被測介質(zhì)的設計壓力(主要用于選定儀表的公稱壓力等級)、實際工作壓力(主要用于選定儀表壓力傳感器的壓力等級)。 a. 當已知被測流量為工況體積流量時，可直接按表中的流量范圍選取適配的公稱通徑； b. 當已知被測流量為標況條件下的體積流量時，應先將標況體積流量QN換算為工況體積流量Qv，再按技術參數(shù)表中的流量范圍選取相應的公稱通徑； c. 當兩種口徑流量計均能覆蓋較低和***高體積流量時，在壓損允許下，應盡量選小口徑； d.勿使實際***小流量Qmin低于所選公稱通徑流量計的流量下限； e.流量范圍、公稱壓力有特殊要求時可協(xié)議訂貨。  選型計算公式如下：    式中：T、P、Pa含義同上，Q為體積流量，Qn為標準體積流量，Z/Zn數(shù)值列于表2.因計算步長較大，表內(nèi)數(shù)據(jù)僅供參考，表中數(shù)據(jù)按天然氣真實相對密度Gr=0.600，氮氣和二氧化碳摩爾分數(shù)均為0.00計算。當介質(zhì)壓力低于0.1MPa，均可按Z/Zn＝1估算。

 流量是天然氣生產(chǎn)與輸送過程中的重要參數(shù)之一，只有對天然氣進行計量才能有效地管理天然氣的供給與交付，控制天然氣的庫存量，***大限度地降低不明原因的天然氣損耗，避免輸氣監(jiān)測的爭端。近年來，隨著科技的進步，各種新型的天然氣計量技術得到了發(fā)展，其中的一項新技術是超聲波氣體流量計[1]。超聲波氣體流量計具有測量精度高、體積小、能耗低、無壓力損失、壽命長以及安裝使用方便等顯著優(yōu)點。超聲波氣體流量計是速度式儀表，它通過檢測管道內(nèi)氣體流速來檢測氣體流量。根據(jù)測量的物理量不同，超聲波氣體流量計的檢測方法可分為時差法、相差法和頻差法。

    本文采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設計了一種時差法超聲波氣體流量計，克服了采用傳統(tǒng)分離器件設計的不易更改性和不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定度，同時，利用FPGA設計了高速計數(shù)模塊，并采用了一些措施，達到了對氣體流量進行高精度測量的目的。

    1 時差法超聲波流量計原理[2]

    超聲波在氣體中的傳播速度與氣體流動速度有關，據(jù)此可以實現(xiàn)流量測量。在流速為υ的流動媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器A和B，結(jié)構如圖1所示。

圖1 時差法超聲波流量計原理圖

    從換能器A發(fā)出超聲波到換能器B接收所用的時間為

    

    式中c為超聲波在靜止流體中的傳播速度；υ為流體的速度；θ為流體流向與超聲波傳播方向的夾角；L為2個換能器沿管道的距離；D為管道內(nèi)徑；為超聲波在探頭中與管壁中的傳播時間以及電路延時的總和。

    超聲波信號從換能器B傳送到換能器A所用的時間為

    

    可得超聲波不同方向的兩次傳送時差為

    

    由于v2cos2θ<<c2，則

    

    由于υ是聲程上的平均流速。而需要的是截面上的平均流速，必須根據(jù)流體力學公式進行修正

    

    式中K為流體動機學修正系數(shù)，它與圓管阻力系數(shù)λ有關

    

    而λ是流體雷諾數(shù)的函數(shù)，可表示為

    

    則流量為

    

    一段時間內(nèi)的累積流量為

    

    2 系統(tǒng)硬件設計

    2.1 系統(tǒng)結(jié)構與工作原理

    流量計系統(tǒng)的整體結(jié)構為微控制器+FPGA結(jié)構，如圖2所示。由于模擬信號和數(shù)字信號對信號質(zhì)量的要求不同，在設計中將兩者分開，使數(shù)字電路對模擬電路的干擾降到***小。微控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA內(nèi)部集成了系統(tǒng)中的大部分數(shù)字電路。微控制器+FPGA結(jié)構設計大大簡化了系統(tǒng)硬件電路的復雜性，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。外圍電路包括由超聲波發(fā)射電路，發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換電路和信號接收及預處理電路組成的模擬信號處理模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。各個電路模塊獨立完成其功能，又相互聯(lián)系，共同構建了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構。

    通過鍵盤模塊預設測量參數(shù)后，測量開始，89C51向超聲波發(fā)射電路輸出窄脈沖，同時，向FPGA輸出控制脈沖，F(xiàn)PGA中的高速計數(shù)模塊開始計數(shù)。窄脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵換能器A產(chǎn)生超聲波。換能器B接收到信號，這個微弱信號經(jīng)過前置放大電路、帶通濾波電路、峰值檢波電路、過零比較電路、脈沖展寬等電路組成的接收信號預處理模塊處理后，脈沖上沿控制FPGA的高速計數(shù)器停止計數(shù)，即得到超聲波在管道中的順流傳播時間t1，把其存入FPGA的寄存器中。與此同時，給微控制器一個中斷信號。微控制器響應中斷信號以后，通過控制發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換電路，使換能器B發(fā)射，換能器A接收超聲波，重復上述過程得到超聲波在管道中的逆流傳播時間t2，將t2也存入FPGA的寄存器中，將N次順逆流測量結(jié)果存入存儲模塊，用多次測量的平均值作為超聲波渡越時間，可以減小誤差，提高測量精度[3]。微處理器讀出這些數(shù)據(jù)經(jīng)過補償和計算可得到流體流量的統(tǒng)計平均值，將結(jié)果送到LED上顯示出來。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構簡圖

    2.2 基于FPGA的數(shù)字信號處理模塊

    FPGA數(shù)字系統(tǒng)是本設計的重點，在FPGA內(nèi)部集成了適合超聲波氣體流量計的高精度計時電路、分頻電路、定時電路和部分邏輯控制電路[4]。將FPGA應用于超聲波氣體流量計的設計中，不但簡化了系統(tǒng)結(jié)構，而且，提高了系統(tǒng)硬件的可升級性。

    提高測時精度是提高時差法超聲波流量計測量精度的關鍵。要地測量時間必須有高速的計數(shù)器，而使用普通的TTL集成電路因其工作頻率低，不能制作高速計數(shù)器。例如：速度***快的74F161，***高工作頻率也只有90MHz，實際上由于分布參數(shù)的影響，并考慮到各個元件之間在時序上的配合，其***高工作頻率還會下降，因此，無法實現(xiàn)高速計數(shù)。為此，設計中采用FPGA芯片來制作高速計數(shù)器[5]。由于FPGA芯片內(nèi)部的工作頻率接近千兆赫茲，因此，可實現(xiàn)高速計數(shù)，從而提高測量精度和測量范圍。計數(shù)模塊內(nèi)的全部功能是基于電子設計自動化（EDA）技術，用硬件描述語言（VerilogHDL）編寫完成的[6]。

    高速計數(shù)器的設計思路是在較低的外部時鐘頻率下實現(xiàn)高速計數(shù)。其原理是基于數(shù)字移相計數(shù)。所謂移相是指多路同頻信號，以其中的一路作為參考，其他多路信號相對該信號在時間上做超前或滯后的移動形成相位差[7]，原理如圖3所示。設外部輸入時鐘CK0的周期為T。由圖3知，由于待測脈沖的上升沿位置是隨機的，一般不會恰好落在時鐘信號的邊沿上。因此，帶來測量誤差，***大誤差為T。顯然，提高時鐘頻率可以減小測量誤差。為此，利用芯片內(nèi)的高精度數(shù)字鎖相環(huán)，實現(xiàn)芯片內(nèi)時鐘的零傳輸延時和移相。把CK0移相后得到CK1，CK2，CK3。這4路時鐘的相位彼此相差T/4。每一個時鐘后接一個D觸發(fā)器，待測脈寬的上升沿作為觸發(fā)器的觸發(fā)信號。此外，CK0后接24位計數(shù)器。由圖看出：待測脈寬上升沿到達后，4個觸發(fā)器便有4種不同的組合值。由此組合值可以判斷出開始計數(shù)的時刻，待測脈沖的前沿在時鐘的1/4周期中。這種方法等效于將時鐘頻率四倍頻，因而，誤差降為原來的1/4。同時，該法可以保證外部的時鐘頻率不變，避免時鐘頻率的提高帶來的其他問題。    

圖3 高速計數(shù)器原理    

    3 系統(tǒng)軟件設計    

    本設計采用KeilC編寫系統(tǒng)軟件。C語言是一種結(jié)構化程序設計語言，兼顧了多種語言的特點。C語言有功能豐富的庫函數(shù)且運算速度快、編譯效率高，具有很強的可移植性[8]。

    基于C語言的特點，本設計采用了模塊化設計方法[9]，程序可讀性強，便于改進和擴充。根據(jù)模塊化程序設計思想，軟件主程序結(jié)構比較簡單，在流程中體現(xiàn)出模塊結(jié)構，本系統(tǒng)軟件整體工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進行初始化，包括I/O的分配、定時器中斷的初始化、FPGA復位、顯示液晶的初始化、相關寄存器的初始化等。初始化完畢后，系統(tǒng)進入流量檢測循環(huán)階段。

    軟件系統(tǒng)每秒鐘完成一次工作循環(huán)，由定時器實現(xiàn)1s定時，通過查詢標志位的方式啟動每一次循環(huán)。軟件系統(tǒng)主要完成4種工作狀態(tài)的切換，它們分別是：累計流量顯示狀態(tài)、截面平均流速顯示狀態(tài)、流量修正系數(shù)設置狀態(tài)和擬合參數(shù)設置狀態(tài)。每個狀態(tài)在系統(tǒng)標志寄存器對應不同的數(shù)值設定，系統(tǒng)通過掃描鍵盤狀態(tài)進行各個狀態(tài)之間的切換。    

    模塊化程序結(jié)構包括：中斷服務程序結(jié)構、流速與流量計算程序結(jié)構、數(shù)據(jù)存儲程序結(jié)構等[10]。其中，中斷服務程序是本系統(tǒng)軟件中的重要部分，由定時器中斷實現(xiàn)，在此期間系統(tǒng)完成超聲波發(fā)射與FPGA計時器計時結(jié)果的傳遞工作；流量與補償計算程序模塊主要完成截面平均流速、瞬時流量及累計流量的計算；數(shù)據(jù)存儲程序模塊用于保存流量修正系數(shù)和累計流量，以防止系統(tǒng)意外掉電時數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)軟件設計遵循了模塊化設計思想，有很強的可讀性和可移植性。軟件結(jié)構不但符合智能儀表軟件設計原則，而且符合系統(tǒng)自身的設計特點。

圖4 主程序流程圖

    4 實驗結(jié)果

    實驗建立模擬管道實驗系統(tǒng)，能模擬真實管道中的氣體流動，要達到能調(diào)節(jié)氣體流速、流量的目的。實驗裝置的標準表為渦街流量計。實驗管道材料為PVC，口徑為30mm。氣體流量由風機提供。風機由變頻調(diào)速電機控制，通過計算機控制，測試系統(tǒng)可以設定變頻調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量，并且，采集渦街流量計測得的流量數(shù)據(jù)。

    本實驗主要檢驗在低流速下，超聲波氣體流量計的檢測精度，實驗中的流速范圍設定在0.5~8.0m3/h，在這個流速范圍內(nèi)均勻地選擇了8點進行測量，用空氣對超聲波氣體流量計進行實驗，實驗結(jié)果如表1。實驗時，每一個測量點記錄3組數(shù)據(jù)。通過對每個測量點的3組測量數(shù)據(jù)進行分析，檢測其重復性和不確定度。然后，采用三階曲線擬合進行非線性修正。

表1 擬合后流速與相對誤差對照表

    從實驗結(jié)果可以看出：隨著流速的增加，系統(tǒng)測量精度也在提高，綜合考慮本系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)設計的要求。

4、結(jié)語：
 正確選擇流量計的種類，了解各種流量計的使用要求，對提高天然氣計量精度、降低計量偏差十分重要。操作人員應提高專業(yè)技能和知識水平，熟悉掌握儀器儀表技術特征，減少操作誤差，提高計量準確率，確保設備安全運行。