一种工业计量用工况校准系统转让专利
申请号 : CN201910393878.9
文献号 : CN110274667A
文献日 : 2019-09-24
发明人 : 高玉娟
申请人 : 南京罕华流体技术有限公司
摘要 :
一种工业计量用工况校准系统属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种工业计量用工况校准系统。本发明提供一种工业计量用工况校准系统。工业计量用工况校准系统的计量算法的确定方法包括以下步骤：1）依据工业现场的结构参数进行物理建模；2）对物理模型进行离散化处理；3）采用工业现场提供的运行参数对现场管网进行计算流体分析；4）提取计算流体分析的数据，将其回归为工况条件下的计量算法（即信号处理部分的计量算法）。
权利要求 :
1.一种工业计量用工况校准系统，其特征在于计量算法的确定方法包括以下步骤：1)依据工业现场的结构参数进行物理建模；2)对物理模型进行离散化处理；3)采用工业现场提供的运行参数对现场管网进行计算流体分析；4)提取计算流体分析的数据，将其回归为工况条件下的计量算法(即信号处理部分的计量算法)。
2.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述步骤2)对物理模型进行离散化处理包括以下步骤：对管网物理模型的网格进行划分，将整个管网内的流动区域划分成若干微小模型，将偏微分方程和微分方程用到每一个离散化的网格区域控制容积；采用内节点法，每个控制单元的代表点定义在单元的几何重心；将管网划分为实际的控制容积，离散化遵守以下方程；
aE＝DeA(|Pee)+[[-Fe,0]]
aW＝DwA(|Pew|)+[[-Fw,0]]aN＝DnA(|Pen|)+[[-Fn,0]]
aP＝aE+aW+aN+aS+aP0-SP·Δx·Δy；在上述公式中，aP为总变
量，aE、aW、aN、aS分别代表控制容积内四个方向的变量(该变量可以是温度、压力、速度等物理量)分解量， 为总变量及四个分变量分别对应的系数，Δx、Δy为控制容积内的空间步长，Δt为控制容积内的时间步长，Fe、Fw、Fn、Fs分别为四个方向对应的质量流量，De、Dw、Dn、Ds为四个方向分别对应的扩散项，Pe、Pw、Pn、Ps为各方向空间步长的无量纲准则数。
3.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理采用Gambit、GridPro或ICEM进行离散化处理。
4.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述结构参数包括弯头、阀门、三通、变径参数。
5.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述运行参数包括温度、压力、动力粘度、等熵指数、密度、相态及比例、浓度、湿度、颗粒物大小、流量范围参数。
6.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述流量范围参数包括刻度、最大、常用、最小参数。
7.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述物理建模的方式为：通过现场实地勘察，获取管网结构尺寸，建立物理模型。对某钢厂高炉煤气总管、热风炉煤气管网进行了实地勘察，并结合该现场及设计单位提供的管网设计图纸，对现场的高炉煤气管网建立了如图20所示的物理模型，并标注了工艺流程及煤气流向。
8.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述物理建模的过程中，对流体流动状态没有影响的几何结构可以简化或忽略；对管道内介质的流动状态有影响的结构，必须在物理模型中得到真实的体现。
9.根据权利要求8所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于所述对流体流动状态没有影响的几何结构为完全打开的阀。
10.根据权利要求1所述一种工业计量用工况校准系统，其特征在于还包括电源部分、模拟信号采集部分、信号处理部分、数据存储部分和信号输出部分，模拟信号采集部分的检测信号输出端口与信号处理部分的检测信号输入端口相连；电源部分的电能输出端口分别与模拟信号采集部分的电能输入端口、信号处理部分的电能输入端口和信号输出部分的电能输入端口、数据存储部分的电能输入端口相连；数据存储部分的信号传输端口与信号处理部分的信号传输端口相连，信号处理部分的信号输出端口与信号输出部分的信号输入端口相连；所述计量算法为信号处理部分的计量算法；
所述电源部分包括power-LH10芯片、IB2424LS芯片、AMS1117芯片Pow5-3、B0505S-1W芯片pow5-5和插槽MHDR1X2，power-LH10芯片的3脚接市电火线，power-LH10芯片的2脚接市电零线，power-LH10芯片的1脚接地，power-LH10芯片的4、7脚接DGND端，power-LH10芯片的5脚接5V端，power-LH10芯片的8脚接5V端接24v is端；IB2424LS芯片的1脚接24v is端，IB2424LS芯片的2脚接DGND端，IB2424LS芯片的4脚分别与4-20down端、电阻RL一端相连，电阻RL另一端分别与IB2424LS芯片的6脚、24v os端相连；Pow5-3的1脚接DGND端，Pow5-3的2脚分别与3.3v端、电容C17正极相连，电容C17负极分别与DGND端、电容C18负极相连，电容C18正极分别与5v端、Pow5-3的3脚相连；pow5-5的1脚接5v端相连，pow5-5的2脚接DGND端，pow5-5的3脚接485_GND端，pow5-5的4脚接485-5V端；MHDR1X2的1脚接485_GND端。电源部分的供电电源为AC220V，然后通过power220-24，将AC220V供电降压为DC24V和DC5V两路电源电压输出。
说明书 :
一种工业计量用工况校准系统
技术领域
[0001] 本发明属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种工业计量用工况校准系统。
背景技术
[0002] 在现有工业现场，管道内的流体通过差压类流量计先将差压信号传送给二次表或者流量计算机，经过二次表或者流量计算机将差压值换算成流量后，再将流量值传输给工控系统DCS或PLC，进而可以测量管道内流体的流量。但是目前这种计量方式存在的问题是：(1)没有考虑到现场管道条件对计量的影响；(2)没有考虑到现场流量范围对计量的影响。
现场流量范围包含了工业现场流量远远高于计量检定部门实流标定时的流量范围，现场流量远远低于计量检定部门实流标定时的流量范围。由于计量检定采用的都是溯源体系，逐级溯源，而实际工业现场的管网和运行条件可能和计量检定或校准时有巨大的差距，所以导致现场的计量往往会出现较大的偏差。
现场流量范围包含了工业现场流量远远高于计量检定部门实流标定时的流量范围，现场流量远远低于计量检定部门实流标定时的流量范围。由于计量检定采用的都是溯源体系，逐级溯源，而实际工业现场的管网和运行条件可能和计量检定或校准时有巨大的差距，所以导致现场的计量往往会出现较大的偏差。
发明内容
[0003] 本发明就是针对上述问题，提供一种工业计量用工况校准系统。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括电源部分、模拟信号采集部分、信号处理部分、数据存储部分和信号输出部分，其结构要点模拟信号采集部分的检测信号输出端口与信号处理部分的检测信号输入端口相连；电源部分的电能输出端口分别与模拟信号采集部分的电能输入端口、信号处理部分的电能输入端口和信号输出部分的电能输入端口、数据存储部分的电能输入端口相连；数据存储部分的信号传输端口与信号处理部分的信号传输端口相连，信号处理部分的信号输出端口与信号输出部分的信号输入端口相连。作为一种优选方案，本发明所述模拟信号采集部分采集管道的外部差压、压力、温度、湿度、液位信号。作为一种优选方案，本发明所述外部差压、压力、温度、湿度、液位信号分别通过差压变送器、压力变送器、温度变送器、湿度变送器、液位变送器进行采集。作为另一种优选方案，本发明所述电源部分包括power-LH10芯片、IB2424LS芯片、AMS1117芯片Pow5-3、B0505S-1W芯片pow5-5和插槽MHDR1X2，power-LH10芯片的3脚接市电火线，power-LH10芯片的2脚接市电零线，power-LH10芯片的1脚接地，power-LH10芯片的4、7脚接DGND端，power-LH10芯片的5脚接5V端，power-LH10芯片的8脚接5V端接24v is端；IB2424LS芯片的1脚接24v is端，IB2424LS芯片的2脚接DGND端，IB2424LS芯片的4脚分别与4-20down端、电阻RL一端相连，电阻RL另一端分别与IB2424LS芯片的6脚、24v os端相连；Pow5-3的1脚接DGND端，Pow5-3的2脚分别与3.3v端、电容C17正极相连，电容C17负极分别与DGND端、电容C18负极相连，电容C18正极分别与5v端、Pow5-3的3脚相连；pow5-5的1脚接5v端相连，pow5-5的2脚接DGND端，pow5-5的3脚接485_GND端，pow5-5的4脚接485-5V端；MHDR1X2的1脚接485_GND端。
电源部分的供电电源为AC220V，然后通过power220-24，将AC220V供电降压为DC24V和DC5V两路电源电压输出。DC24V这路电源用于给5路4～20mA信号采集的电路供电，即给工况校准仪所需接入的差压、压力、温度、湿度等信号供电。并通过power24-24将DC24V进行隔离设计，用于4～20mA信号输出；DC5V这路电源一部分通过pow5-3降压为3.3V用于信号处理部分的单片机电路供电，另一部分通过pow5-5隔离设计，用于485信号输出的供电。作为另一种优选方案，本发明所述信号采集部分包括第一TL431芯片、第二TL431芯片、第三TL431芯片、第四TL431芯片和第五TL431芯片；第一TL431芯片的1脚分别与保险丝F1、第一TL431芯片的
3脚、电阻Rc1一端、电容C01一端、TLV2372芯片U1的3脚相连，第一TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc1另一端、电容C01另一端相连，U1的2脚分别与U1的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第二TL431芯片的1脚分别与保险丝F2、第二TL431芯片的3脚、电阻Rc2一端、电容C02一端、U1的5脚相连，第二TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc2另一端、电容C02另一端相连，U1的6脚分别与U1的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U1的8脚接3.3v端，U1的4脚接DGND端；第三TL431芯片的1脚分别与保险丝F3、第三TL431芯片的3脚、电阻Rc3一端、电容C03一端、U2的3脚相连，第三TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc3另一端、电容C03另一端相连，U2的2脚分别与U2的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第四TL431芯片的1脚分别与保险丝F4、第四TL431芯片的3脚、电阻Rc4一端、电容C04一端、U2的5脚相连，第四TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc4另一端、电容C04另一端相连，U2的6脚分别与U2的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U2的8脚接3.3v端，U2的4脚接DGND端；第五TL431芯片的1脚分别与保险丝F5、第五TL431芯片的3脚、电阻Rc5一端、电容C05一端、U3的5脚相连，第五TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc5另一端、电容C05另一端相连，U3的6脚分别与U3的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连。信号采集部分，该部分有5路4～20mA信号采集电路，用于外部差压、压力、温度、湿度、液位等变送器信号的输入采集，当电流流过本电路中的采样电阻Rc时，在Rc上产生一个电压信号，本电路将采集到的这个电压信号通过运算放大电路(图8中的*U1、*U2和*U3)再传递给信号处理部分进行信号处理。每一路采集电路都有一个自恢复保险电阻保护电路的过流问题，防止大电流对电路的破坏，即图8中F1、F2、F3、F4、F5。每一个精密采样电阻上都并联一个TLV431和一个100nF的电容，用于防止采样电阻上产生过高的电压，超出信号处理部分所能接收的信号范围，破坏信号处理电路。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分包括EFM32LG380F256芯片U1，U1的24脚分别与电容Cp3一端、32.768KHz晶振Y3一端相连，电容Cp3另一端接DGND端，晶振Y3另一端分别与电容Cp4一端、U1的25脚相连，电容Cp4另一端接DGND端；U1的46～50脚为信号处理部分的检测信号输入端口，U1的60脚接RTC_SCLK端，U1的
61脚接RTC_DAT端，U1的62脚接RTC_RST端，U1的99脚接CEX0端；U1的76～78脚分别与SWCLK端、SWDIO端、SWO端对应相连，U1的81、84、85脚分别与CTRL端、RX0端、TX0端对应相连；U1的
74脚分别与RX1端、触摸屏8脚接插件Header 8的3、4脚相连，Header8的1、2脚接5v端，Header 8的5脚分别与TX1端、U1的75脚相连，Header 8的6脚分别与BUSY端、U1的80脚相连，Header 8的7、8脚接DGND端；U1的16、32、58、83脚分别与电容C7一端、C8一端、C9一端、C10一端、C11一端、电容Cv一端、DGND端相连，U1的82、44、31、17、8、57脚分别与电容C7另一端、C8另一端、C9另一端、C10另一端、C11另一端、电容Cv另一端、3.3v端相连；U1的59通过电容Cu-
1接DGND端，U1的36脚分别与rest端、电容Cu-2一端、reset两脚接插件Header 2的1脚相连，电容Cu-2另一端接DGND端，Header 2的2脚通过电阻R22接DGND端；U1的41、45脚分别与电感L0一端、电容C14一端、电容C15一端、电容C16一端相连，电容C14另一端、电容C15另一端、电容C16另一端接DGND端，电感L0另一端接3.3v端。信号处理部分，该部分EFM32LG380F256为核心处理元件，信号处理方式、流量计量的算法、公式在该部分完成。将EFM32LG380F256分为A、B、C、D四个部分。U1A部分连接晶振用于该部分工作的时钟信号来源；U1B部分对信号采集电路传递过来的信号进行AD转换，将模拟信号转换成数字信号进行后续处理；U1C部分主要用于对EFM32LG380F256的程序编写下载和输出信号的接口，RX0、TX0这两个接口用于485输出信号的数据传输，CEX0用于4～20mA信号的控制输出，DBG部分是程序下载端口，LCD TOUCH是显示屏(可以实时显示流动状态)连接端口；U1D部分主要是该部分电路提供电源。
URTC部分用于计算数据的存储，并通过BT1额外供电防止工况校准仪在掉电的情况下数据出现丢失问题。作为另一种优选方案，本发明所述数据存储部分采用DS1302S芯片URTC，URTC的1脚分别与电容C12一端、电容C13一端、3.3v端相连，电容C12另一端分别与电容C13另一端、DGND端相连；URTC的8脚与充电电池(充电电池，在有外供电时，电池充电，在外部掉电时，充电电池给URTC供电保证记录历史曲线不中断)BT1正极相连，电池BT1的负极通过电阻R23接DGND端，URTC的6脚接RTC_DAT端；URTC的7脚接RTC_SCLK端，URTC的5脚接RTC_RST端，URTC的2脚分别与32.768KHz晶振Y2一端、电容Cp1一端相连，电容Cp1另一端分别与电容Cp2一端、DGND端、URTC的4脚相连，晶振Y2另一端分别与Cp2另一端、URTC的3脚相连。作为另一种优选方案，本发明所述信号输出部分包括4～20mA信号输出电路和485信号输出电路。
作为另一种优选方案，本发明所述4～20mA信号输出电路包括TIL113芯片1，OP1的1脚通过电阻R12接CEX0端，OP1的2脚接DGND端，OP1的6脚通过电阻R14分别与OP1的4脚、NPN三极管Q1的集电极相连，NPN三极管Q1的发射极通过电阻R18分别与电容C6.2一端、NPN三极管Q2的发射极、lm358芯片U5的4脚、4-20down端、稳压管D8阳极、电容Cc负极相连；NPN三极管Q1的基极分别与电容C6.2另一端、稳压管D6阴极、电阻R17一端相连，稳压管D6阳极分别与NPN三极管Q2的集电极、NPN三极管Q2的基极相连；电阻R17另一端分别与电阻R16一端、电容Cu-3正极、电阻R21一端、稳压管D7阳极相连，电阻R16另一端分别与OP1的5脚、U5的5脚相连，U5的8脚分别与稳压管D7阴极、稳压管D8阴极、电容Cc正极、24v os端相连；U5的6脚分别与U5的7脚、电阻R19一端相连，电阻R19另一端分别与电容Cu-3负极、U5的3脚相连，U5的2脚分别与电阻R21另一端、PNP三极管Q3发射极、NPN三极管Q4集电极相连，PNP三极管Q3基极通过电阻R20与U5的1脚相连，PNP三极管Q3集电极接NPN三极管Q4基极，NPN三极管Q4发射极接4-
20up端。作为另一种优选方案，本发明所述485信号输出电路包括TLP521芯片U100、U101和U102，U102的4脚分别与电阻R1一端、TX0端相连，电阻R1另一端分别与3.3v端、U101的1脚、U100的1脚相连，U102的3脚接DGND端，U102的1脚通过电阻R4分别与485-5V端、U101的4脚、电阻R6一端相连，U102的2脚接MAX485芯片IC17的1脚；U101的2脚通过电阻R2接CTRL端，U101的3脚分别与电阻R5一端、IC17的2脚、IC17的3脚，电阻R5另一端接485_GND端；U100的2脚通过电阻R3接RX0端，U100的4脚分别与电阻R6另一端、IC17的4脚相连，U100的3脚接485_GND端；IC17的8脚分别与485-5V端、电阻R7一端相连，电阻R7另一端分别与IC17的6脚、电阻R10一端相连，IC17的7脚分别与电阻R9一端、电阻R8一端相连，电阻R8另一端分别与IC17的
5脚、485_GND端相连；电阻R9另一端分别与电阻R11一端、二极管D9阳极、485up端相连，电阻R10另一端分别与电阻R11另一端、二极管D10阳极、485down端相连，二极管D10阴极接二极管D9阴极。信号输出部分，包括2路信号输出，4～20mA电流模拟输出和485数字信号输出。4～20mA电流模拟输出是通过单片机将需要输出的参数信号通过CEX0信号线以PWM波的形式传递过来，再通过光耦隔离，电路放大将PWM信号转换成4～20mA模拟信号传递出去，用于下一个单元的接收；485数字信号输出是通过单片机的串口将信号传递过来，再通过光耦隔离，将信号传递出去，并在出口放置两个二极管用于电路保护。作为另一种优选方案，本发明温度变送器和压力变送器将代表管道内的温度和压力信号通过电流信号传递给工况校准装置时，电流在采样电阻上的压降的大小来判断流过该电路的电流大小是多少mA，根据压力量程和温度量程，计算出该电流所代表的具体压力、温度值，进一步计算出该温度压力下的介质密度，即密度的温压补偿。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分的计量算法的确定方法包括以下步骤：1)依据工业现场的结构参数进行物理建模；2)对物理模型进行离散化处理；3)采用工业现场提供的运行参数对现场管网进行计算流体分析；4)提取计算流体分析的数据，将其回归为工况条件下的计量算法(即信号处理部分的计量算法)。
本发明计量算法的确定方法可对流量进行校准，达到准确测量工况流量的效果。改善现有计量因为管网原因或实际流量范围超出检定流量范围时造成的计量不准确或偏差大等问题。作为另一种优选方案，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理包括以下步骤：对管网物理模型的网格进行划分，将整个管网内的流动区域划分成若干微小模型，将偏微分方程和微分方程用到每一个离散化的网格区域控制容积；采用内节点法，每个控制单元的代表点定义在单元的几何重心；如图18所示；将管网划分为实际的控制容积，离散化遵守以下方程；
电源部分的供电电源为AC220V，然后通过power220-24，将AC220V供电降压为DC24V和DC5V两路电源电压输出。DC24V这路电源用于给5路4～20mA信号采集的电路供电，即给工况校准仪所需接入的差压、压力、温度、湿度等信号供电。并通过power24-24将DC24V进行隔离设计，用于4～20mA信号输出；DC5V这路电源一部分通过pow5-3降压为3.3V用于信号处理部分的单片机电路供电，另一部分通过pow5-5隔离设计，用于485信号输出的供电。作为另一种优选方案，本发明所述信号采集部分包括第一TL431芯片、第二TL431芯片、第三TL431芯片、第四TL431芯片和第五TL431芯片；第一TL431芯片的1脚分别与保险丝F1、第一TL431芯片的
3脚、电阻Rc1一端、电容C01一端、TLV2372芯片U1的3脚相连，第一TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc1另一端、电容C01另一端相连，U1的2脚分别与U1的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第二TL431芯片的1脚分别与保险丝F2、第二TL431芯片的3脚、电阻Rc2一端、电容C02一端、U1的5脚相连，第二TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc2另一端、电容C02另一端相连，U1的6脚分别与U1的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U1的8脚接3.3v端，U1的4脚接DGND端；第三TL431芯片的1脚分别与保险丝F3、第三TL431芯片的3脚、电阻Rc3一端、电容C03一端、U2的3脚相连，第三TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc3另一端、电容C03另一端相连，U2的2脚分别与U2的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第四TL431芯片的1脚分别与保险丝F4、第四TL431芯片的3脚、电阻Rc4一端、电容C04一端、U2的5脚相连，第四TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc4另一端、电容C04另一端相连，U2的6脚分别与U2的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U2的8脚接3.3v端，U2的4脚接DGND端；第五TL431芯片的1脚分别与保险丝F5、第五TL431芯片的3脚、电阻Rc5一端、电容C05一端、U3的5脚相连，第五TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc5另一端、电容C05另一端相连，U3的6脚分别与U3的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连。信号采集部分，该部分有5路4～20mA信号采集电路，用于外部差压、压力、温度、湿度、液位等变送器信号的输入采集，当电流流过本电路中的采样电阻Rc时，在Rc上产生一个电压信号，本电路将采集到的这个电压信号通过运算放大电路(图8中的*U1、*U2和*U3)再传递给信号处理部分进行信号处理。每一路采集电路都有一个自恢复保险电阻保护电路的过流问题，防止大电流对电路的破坏，即图8中F1、F2、F3、F4、F5。每一个精密采样电阻上都并联一个TLV431和一个100nF的电容，用于防止采样电阻上产生过高的电压，超出信号处理部分所能接收的信号范围，破坏信号处理电路。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分包括EFM32LG380F256芯片U1，U1的24脚分别与电容Cp3一端、32.768KHz晶振Y3一端相连，电容Cp3另一端接DGND端，晶振Y3另一端分别与电容Cp4一端、U1的25脚相连，电容Cp4另一端接DGND端；U1的46～50脚为信号处理部分的检测信号输入端口，U1的60脚接RTC_SCLK端，U1的
61脚接RTC_DAT端，U1的62脚接RTC_RST端，U1的99脚接CEX0端；U1的76～78脚分别与SWCLK端、SWDIO端、SWO端对应相连，U1的81、84、85脚分别与CTRL端、RX0端、TX0端对应相连；U1的
74脚分别与RX1端、触摸屏8脚接插件Header 8的3、4脚相连，Header8的1、2脚接5v端，Header 8的5脚分别与TX1端、U1的75脚相连，Header 8的6脚分别与BUSY端、U1的80脚相连，Header 8的7、8脚接DGND端；U1的16、32、58、83脚分别与电容C7一端、C8一端、C9一端、C10一端、C11一端、电容Cv一端、DGND端相连，U1的82、44、31、17、8、57脚分别与电容C7另一端、C8另一端、C9另一端、C10另一端、C11另一端、电容Cv另一端、3.3v端相连；U1的59通过电容Cu-
1接DGND端，U1的36脚分别与rest端、电容Cu-2一端、reset两脚接插件Header 2的1脚相连，电容Cu-2另一端接DGND端，Header 2的2脚通过电阻R22接DGND端；U1的41、45脚分别与电感L0一端、电容C14一端、电容C15一端、电容C16一端相连，电容C14另一端、电容C15另一端、电容C16另一端接DGND端，电感L0另一端接3.3v端。信号处理部分，该部分EFM32LG380F256为核心处理元件，信号处理方式、流量计量的算法、公式在该部分完成。将EFM32LG380F256分为A、B、C、D四个部分。U1A部分连接晶振用于该部分工作的时钟信号来源；U1B部分对信号采集电路传递过来的信号进行AD转换，将模拟信号转换成数字信号进行后续处理；U1C部分主要用于对EFM32LG380F256的程序编写下载和输出信号的接口，RX0、TX0这两个接口用于485输出信号的数据传输，CEX0用于4～20mA信号的控制输出，DBG部分是程序下载端口，LCD TOUCH是显示屏(可以实时显示流动状态)连接端口；U1D部分主要是该部分电路提供电源。
URTC部分用于计算数据的存储，并通过BT1额外供电防止工况校准仪在掉电的情况下数据出现丢失问题。作为另一种优选方案，本发明所述数据存储部分采用DS1302S芯片URTC，URTC的1脚分别与电容C12一端、电容C13一端、3.3v端相连，电容C12另一端分别与电容C13另一端、DGND端相连；URTC的8脚与充电电池(充电电池，在有外供电时，电池充电，在外部掉电时，充电电池给URTC供电保证记录历史曲线不中断)BT1正极相连，电池BT1的负极通过电阻R23接DGND端，URTC的6脚接RTC_DAT端；URTC的7脚接RTC_SCLK端，URTC的5脚接RTC_RST端，URTC的2脚分别与32.768KHz晶振Y2一端、电容Cp1一端相连，电容Cp1另一端分别与电容Cp2一端、DGND端、URTC的4脚相连，晶振Y2另一端分别与Cp2另一端、URTC的3脚相连。作为另一种优选方案，本发明所述信号输出部分包括4～20mA信号输出电路和485信号输出电路。
作为另一种优选方案，本发明所述4～20mA信号输出电路包括TIL113芯片1，OP1的1脚通过电阻R12接CEX0端，OP1的2脚接DGND端，OP1的6脚通过电阻R14分别与OP1的4脚、NPN三极管Q1的集电极相连，NPN三极管Q1的发射极通过电阻R18分别与电容C6.2一端、NPN三极管Q2的发射极、lm358芯片U5的4脚、4-20down端、稳压管D8阳极、电容Cc负极相连；NPN三极管Q1的基极分别与电容C6.2另一端、稳压管D6阴极、电阻R17一端相连，稳压管D6阳极分别与NPN三极管Q2的集电极、NPN三极管Q2的基极相连；电阻R17另一端分别与电阻R16一端、电容Cu-3正极、电阻R21一端、稳压管D7阳极相连，电阻R16另一端分别与OP1的5脚、U5的5脚相连，U5的8脚分别与稳压管D7阴极、稳压管D8阴极、电容Cc正极、24v os端相连；U5的6脚分别与U5的7脚、电阻R19一端相连，电阻R19另一端分别与电容Cu-3负极、U5的3脚相连，U5的2脚分别与电阻R21另一端、PNP三极管Q3发射极、NPN三极管Q4集电极相连，PNP三极管Q3基极通过电阻R20与U5的1脚相连，PNP三极管Q3集电极接NPN三极管Q4基极，NPN三极管Q4发射极接4-
20up端。作为另一种优选方案，本发明所述485信号输出电路包括TLP521芯片U100、U101和U102，U102的4脚分别与电阻R1一端、TX0端相连，电阻R1另一端分别与3.3v端、U101的1脚、U100的1脚相连，U102的3脚接DGND端，U102的1脚通过电阻R4分别与485-5V端、U101的4脚、电阻R6一端相连，U102的2脚接MAX485芯片IC17的1脚；U101的2脚通过电阻R2接CTRL端，U101的3脚分别与电阻R5一端、IC17的2脚、IC17的3脚，电阻R5另一端接485_GND端；U100的2脚通过电阻R3接RX0端，U100的4脚分别与电阻R6另一端、IC17的4脚相连，U100的3脚接485_GND端；IC17的8脚分别与485-5V端、电阻R7一端相连，电阻R7另一端分别与IC17的6脚、电阻R10一端相连，IC17的7脚分别与电阻R9一端、电阻R8一端相连，电阻R8另一端分别与IC17的
5脚、485_GND端相连；电阻R9另一端分别与电阻R11一端、二极管D9阳极、485up端相连，电阻R10另一端分别与电阻R11另一端、二极管D10阳极、485down端相连，二极管D10阴极接二极管D9阴极。信号输出部分，包括2路信号输出，4～20mA电流模拟输出和485数字信号输出。4～20mA电流模拟输出是通过单片机将需要输出的参数信号通过CEX0信号线以PWM波的形式传递过来，再通过光耦隔离，电路放大将PWM信号转换成4～20mA模拟信号传递出去，用于下一个单元的接收；485数字信号输出是通过单片机的串口将信号传递过来，再通过光耦隔离，将信号传递出去，并在出口放置两个二极管用于电路保护。作为另一种优选方案，本发明温度变送器和压力变送器将代表管道内的温度和压力信号通过电流信号传递给工况校准装置时，电流在采样电阻上的压降的大小来判断流过该电路的电流大小是多少mA，根据压力量程和温度量程，计算出该电流所代表的具体压力、温度值，进一步计算出该温度压力下的介质密度，即密度的温压补偿。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分的计量算法的确定方法包括以下步骤：1)依据工业现场的结构参数进行物理建模；2)对物理模型进行离散化处理；3)采用工业现场提供的运行参数对现场管网进行计算流体分析；4)提取计算流体分析的数据，将其回归为工况条件下的计量算法(即信号处理部分的计量算法)。
本发明计量算法的确定方法可对流量进行校准，达到准确测量工况流量的效果。改善现有计量因为管网原因或实际流量范围超出检定流量范围时造成的计量不准确或偏差大等问题。作为另一种优选方案，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理包括以下步骤：对管网物理模型的网格进行划分，将整个管网内的流动区域划分成若干微小模型，将偏微分方程和微分方程用到每一个离散化的网格区域控制容积；采用内节点法，每个控制单元的代表点定义在单元的几何重心；如图18所示；将管网划分为实际的控制容积，离散化遵守以下方程；
[0005] aE＝DeA(|Pee|)+[[-Fe，0]]
[0006] aW＝DwA(|Pew|)+[[-Fw，0]]aN＝DnA(|Pen|)+[[-Fn，0]]
[0007]
[0008] aP＝aE+aW+aN+aS+aP0-SP·Δx·Δy；在上述公式中，aP为总变量，aE、aW、aN、aS分别代表控制容积内四个方向的变量(该变量可以是温度、压力、速度等物理量)分解量， 为总变量及四个分变量分别对应的系数，Δx、Δy为
控制容积内的空间步长，Δt为控制容积内的时间步长，Fe、Fw、Fn、Fs分别为四个方向对应的质量流量，De、Dw、Dn、Ds为四个方向分别对应的扩散项，Pe、Pw、Pn、Ps为各方向空间步长的无量纲准则数。作为另一种优选方案，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理采用Gambit、GridPro或ICEM进行离散化处理。以某工业现场模型为例，对其进行离散化处理后，如图19所示。网格单元数为2431883，节点数为414217，网格最小单元面积4.242479e-04。作为另一种优选方案，本发明所述结构参数包括弯头、阀门、三通、变径参数。作为另一种优选方案，本发明所述运行参数包括温度、压力、动力粘度、等熵指数、密度、相态及比例、浓度、湿度、颗粒物大小、流量范围参数。作为另一种优选方案，本发明所述流量范围参数包括刻度、最大、常用、最小参数。作为另一种优选方案，本发明所述物理建模的方式为：通过现场实地勘察，获取管网结构尺寸，建立物理模型。对某钢厂高炉煤气总管、热风炉煤气管网进行了实地勘察，并结合该现场及设计单位提供的管网设计图纸，对现场的高炉煤气管网建立了如图20所示的物理模型，并标注了工艺流程及煤气流向。作为另一种优选方案，本发明所述物理建模的过程中，对流体流动状态没有影响的几何结构可以简化或忽略；对管道内介质的流动状态有影响的结构，必须在物理模型中得到真实的体现。作为另一种优选方案，本发明所述对流体流动状态没有影响的几何结构为完全打开的阀。作为另一种优选方案，本发明所述简化方式为空管处理，在物理模型建立过程中不用实际建立阀这个结构件，只需要在建模完成后的图例中在管道相应位置标注上此处有阀即可。如图20所示，高炉煤气管网中，由于高炉煤气上游的阀是完全打开的，所以对阀对于高炉煤气的流动而言是不产生影响的，在建立模型的时候不考虑阀本身的结构，此处将完全打开的阀的结构简化成空管处理，在物理模型建立过程中不用建立阀这个结构件，只需要在建模完成后的图例中在管道相应位置标注上此处有阀即可。作为另一种优选方案，本发明所述对管道内介质的流动状态有影响的结构为阻挡流体流动的结构件。作为另一种优选方案，本发明所述阻挡流体流动的结构件为篦冷机挡板、篦冷机支撑架或管道内未完全打开的阀。作为另一种优选方案，本发明所述管道内未完全打开的阀为倾斜60°状态的百叶阀。如图21、22所示，当管道内存在未完全打开的阀、或者其它阻挡流体流动的结构件时，按照实际的物理结构建模。电厂磨煤机入口的百叶阀，该百叶阀处理倾斜60°状态，对气流会产生影响，因此在物理模型中按照实际情况给出。水泥厂篦冷机，冷却风在进入该篦冷机后，篦冷机内部有挡板将各个风室隔开，篦冷机上面的支撑架对流体流动会产生影响，因此将挡板和支撑架都在物理模型中给出。作为另一种优选方案，本发明所述计算流体分析包括物理模型的微分及偏微分计算单元的划分、网格的生成、状态模型的确定、边界条件和初始条件的确立，迭代收敛条件的确定。作为另一种优选方案，本发明所述计算流体分析包括以下步骤：1.管网内控制方程的建立；1.1连续性方程；在供回水管网中，水的流动性没有被打断，整个物理过程是连续的 ，根据 流体 连续 性可 建立 起管 网内的 连 续性 方程 如 (1 .1) 所示 ；
ρ—供水(回水)在操作温度下的密度；式中，t、x、
y、z分别指时间、空间坐标x变量、空间坐标y变量、空间坐标z变量；u、v、w—管网内水流沿着坐标轴三个方向的速度分量；根据实际流动情况可知，管网内的供回水属于稳态不可压缩流动，密度与时间无关，上式中左边第一项为0；且整个管网的计算过程均采用供水及回水的操作温度，因此式(1.1)可以简化为式(1.2)所示； 1.2动量守恒方
程；动量守恒法则可表示为：微元内流体在i方向动量随时间的变化率-单位时间内i方向流入微元的动量+单位时间内i方向流出微元的动量＝作用于微元内流体在i方向的力的总和，i分别指轴坐标系的x、y和z三个方向；根据Stokes假设[1]，作用于流体的粘性应力张量为： 式
中，μ—水的粘性系数，动力粘度；—水的第二分子粘度；体积力在x方向的分量为：Bx＝ρfx；水对于微元的压力在x方向的分量为： 将上述各项在x方向的分量代入动量守恒法则，可得：
控制容积内的空间步长，Δt为控制容积内的时间步长，Fe、Fw、Fn、Fs分别为四个方向对应的质量流量，De、Dw、Dn、Ds为四个方向分别对应的扩散项，Pe、Pw、Pn、Ps为各方向空间步长的无量纲准则数。作为另一种优选方案，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理采用Gambit、GridPro或ICEM进行离散化处理。以某工业现场模型为例，对其进行离散化处理后，如图19所示。网格单元数为2431883，节点数为414217，网格最小单元面积4.242479e-04。作为另一种优选方案，本发明所述结构参数包括弯头、阀门、三通、变径参数。作为另一种优选方案，本发明所述运行参数包括温度、压力、动力粘度、等熵指数、密度、相态及比例、浓度、湿度、颗粒物大小、流量范围参数。作为另一种优选方案，本发明所述流量范围参数包括刻度、最大、常用、最小参数。作为另一种优选方案，本发明所述物理建模的方式为：通过现场实地勘察，获取管网结构尺寸，建立物理模型。对某钢厂高炉煤气总管、热风炉煤气管网进行了实地勘察，并结合该现场及设计单位提供的管网设计图纸，对现场的高炉煤气管网建立了如图20所示的物理模型，并标注了工艺流程及煤气流向。作为另一种优选方案，本发明所述物理建模的过程中，对流体流动状态没有影响的几何结构可以简化或忽略；对管道内介质的流动状态有影响的结构，必须在物理模型中得到真实的体现。作为另一种优选方案，本发明所述对流体流动状态没有影响的几何结构为完全打开的阀。作为另一种优选方案，本发明所述简化方式为空管处理，在物理模型建立过程中不用实际建立阀这个结构件，只需要在建模完成后的图例中在管道相应位置标注上此处有阀即可。如图20所示，高炉煤气管网中，由于高炉煤气上游的阀是完全打开的，所以对阀对于高炉煤气的流动而言是不产生影响的，在建立模型的时候不考虑阀本身的结构，此处将完全打开的阀的结构简化成空管处理，在物理模型建立过程中不用建立阀这个结构件，只需要在建模完成后的图例中在管道相应位置标注上此处有阀即可。作为另一种优选方案，本发明所述对管道内介质的流动状态有影响的结构为阻挡流体流动的结构件。作为另一种优选方案，本发明所述阻挡流体流动的结构件为篦冷机挡板、篦冷机支撑架或管道内未完全打开的阀。作为另一种优选方案，本发明所述管道内未完全打开的阀为倾斜60°状态的百叶阀。如图21、22所示，当管道内存在未完全打开的阀、或者其它阻挡流体流动的结构件时，按照实际的物理结构建模。电厂磨煤机入口的百叶阀，该百叶阀处理倾斜60°状态，对气流会产生影响，因此在物理模型中按照实际情况给出。水泥厂篦冷机，冷却风在进入该篦冷机后，篦冷机内部有挡板将各个风室隔开，篦冷机上面的支撑架对流体流动会产生影响，因此将挡板和支撑架都在物理模型中给出。作为另一种优选方案，本发明所述计算流体分析包括物理模型的微分及偏微分计算单元的划分、网格的生成、状态模型的确定、边界条件和初始条件的确立，迭代收敛条件的确定。作为另一种优选方案，本发明所述计算流体分析包括以下步骤：1.管网内控制方程的建立；1.1连续性方程；在供回水管网中，水的流动性没有被打断，整个物理过程是连续的 ，根据 流体 连续 性可 建立 起管 网内的 连 续性 方程 如 (1 .1) 所示 ；
ρ—供水(回水)在操作温度下的密度；式中，t、x、
y、z分别指时间、空间坐标x变量、空间坐标y变量、空间坐标z变量；u、v、w—管网内水流沿着坐标轴三个方向的速度分量；根据实际流动情况可知，管网内的供回水属于稳态不可压缩流动，密度与时间无关，上式中左边第一项为0；且整个管网的计算过程均采用供水及回水的操作温度，因此式(1.1)可以简化为式(1.2)所示； 1.2动量守恒方
程；动量守恒法则可表示为：微元内流体在i方向动量随时间的变化率-单位时间内i方向流入微元的动量+单位时间内i方向流出微元的动量＝作用于微元内流体在i方向的力的总和，i分别指轴坐标系的x、y和z三个方向；根据Stokes假设[1]，作用于流体的粘性应力张量为： 式
中，μ—水的粘性系数，动力粘度；—水的第二分子粘度；体积力在x方向的分量为：Bx＝ρfx；水对于微元的压力在x方向的分量为： 将上述各项在x方向的分量代入动量守恒法则，可得：
[0009] 同理，y方向的动量方程如式(1.5)所示：
z方向的动量方程如式(1.6)所示：
在供水和回水管网内的
温度场保持不变，管网内也无其他内热源，所以不考虑管网内的能量守恒方程；将上述控制方程统一写成通用的守恒方程形式，如式(1.7)所示：
—控制方程中的待求变量；U—管道内水的速度向量；Γ—变量 的扩散系数；S—控制方程中的源项；
z方向的动量方程如式(1.6)所示：
在供水和回水管网内的
温度场保持不变，管网内也无其他内热源，所以不考虑管网内的能量守恒方程；将上述控制方程统一写成通用的守恒方程形式，如式(1.7)所示：
—控制方程中的待求变量；U—管道内水的速度向量；Γ—变量 的扩散系数；S—控制方程中的源项；
[0010] 1.3湍流控制方程：经过计算管网雷诺数Re可知，属于湍流流动，故采用湍流计算模型；这样，式(1 .7)的通用方程式中待求变量 就多了一项脉动项，即：—待
求变量的平均量，采用雷诺时间平均定义； —待求变量的脉动量；将式(1.7)的待求变量具体化为速度u和v并代入质量方程，发现质量方程经过运算后保持不变，代入动量方程，则分别对应的湍流动量方程为：
求变量的平均量，采用雷诺时间平均定义； —待求变量的脉动量；将式(1.7)的待求变量具体化为速度u和v并代入质量方程，发现质量方程经过运算后保持不变，代入动量方程，则分别对应的湍流动量方程为：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 式(1.10)～(1.12)多出来和脉动量相关的四项为雷诺应力，Su、Sv、Sw分别代表源项在速度u、v、w分量所对应的控制方程的分项，fx、fx、fx为体积力在x、y、z方向的流体元体积，多出来的变量为脉动量u′、v′和w′，这就使得湍流的方程组不能够封闭；采用动量方程推 导中 的 S t o k e s 假 设 ，将 雷 诺 应 力 也以 相同 的 方 式 展 开 ，则 有 ：pt—湍流的脉动压力；μt—湍流粘性系数；
[0015] δij—张量运算符号，当i＝j，值为1；i≠j，值为0；将式(1.10)～(1.14)代入式(1.4)～(1.6)中，可得到新的湍流动量方程：
[0016]
[0017]
[0018] pe—新的湍流动量方程中的有效压力；
[0019] 通过式(1.15)～(1.18)可知，变量u′和v′已经转变为湍流粘性系数μt和湍流动能k两个变量；为了求解湍流粘性系数和湍动能，引入湍流脉动动能耗散率[3]，并定义为：
[0020] 则湍流脉动动能k及其耗散率ε满足的控制方程分别为：
[0021]
[0022]
[0023] P—湍流生成项；-ρε—湍流消失项；
[0024] 在式(1.21)和(1.22)中包含了一些模型参数，它们的取值分别为：Cμ＝0.09，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σK＝1.0，σε＝1.3[4]；k和ε的初值为：
[0025] μ为层流时的粘性系数；f1取0.02；f2取100～1000；
[0026] 2.管网内控制方程的求解(如图23所示)将求解的区域划分成有限个控制容积(网格)，直接在每个控制容积上对控制方程进行积分；划分的区域为有限个面(二维)，将压力场及速度场离散在这有限个面积单元的中心；对有限容积法建立的离散化方程，求解方法有惯性松弛和线性松弛法、顺序迭代法及耦合同步解法，采用顺序迭代的方法进行求解；在建立离散方程之前，采用规则的网格对计算区域进行离散化，离散的网格采用规则的四边形网格，以建立供回水管网内微小单元的控制容积；每个控制单元的代表点定义在单元的几何重心 ；如图18所示；对式(1 .7)的通用方程式建立离散化方程为：在上式中，
[0027]在式(1.25)中，通过控制容积面的质量流量表示为：
[0028] Fe＝(ρu)e·Δy，Fw＝(ρu)w·Δy，Fn＝(ρu)n·Δy，Fs＝(ρu)s·Δy (1.26)[0029] 扩散项表示为：
[0030] 空间步长的无量纲准则数表示为：
[0031] 作为另一种优选方案，本发明所述管网内控制方程的求解过程中管道内安装的孔板流量计为差压流量计，采用Pressure-based求解器，时间选择Steady，考虑到重力作用，选择Gravity并给出9.8m/s2；水为粘性流体，当做viscous model处理；根据式(1.15)～(1.23)的结果，采用标准k-epsilon模型，在Database Material数据库中选择water liquid并根据操作温度和操作压力对物性参数进行修正；给定边界条件时采用供回水管道内的实际流量；在Boundary Condition中选择Mass-flow-inlet，实际运行中供水管道的流量为2363716kg/h，供水压力为0.75MPa；回水管道的流量为2347571kg/h，回水压力为0.27MPa；在湍流中选择湍流强度Intensity和水力直径Hydraulic diameter并分为给出5％和900mm，出口选择outflow，比率为1，表示进入管网和流出管网的水量相等；在Solution Methods中选择SIMPLE算法，保持松弛因子不变，设-5
定x、y和z方向的速度收敛条件为10 ，连续性、湍动能及耗散率保持不变；经过数值模拟后获得管网的压力场、速度场及流线图分布情况；供水管网或回水管网，温度场始终显示的是操作状态下的温度，温度场在整个过程中保持不变。作为另一种优选方案，本发明所述状态模型的确定为：根据雷诺数对流动状态进行确定，判断该流动状态是属于层流状态、过渡流状态还是湍流状态；下面为具体判断过程：流动状态判断的特征数为管道雷诺数，其计算方法如公式(1.10)所示； 其中，ReD—管道雷诺数，表征流动状态的特征
3
数；ρ—工况下节流件上游处流体的密度，kg/m ；v表示管道内介质的流速；μ—管道内流动介质的动力粘度；D—管道内径，非规则管道用水力直径取代，计算方法如公式(1.11)所示；
A—管道截面积；L—管道湿周，对应流体通过管道时浸润部分的周长；如果
现场已知流量范围，则将公式(1.10)调整为流量对应的算法，如公式(1.12)所示；
qm—管道内流动介质的质量流量，在雷诺数计算中知道其范
围即可；qv—流体的体积流量(工况下流体的体积流量)，m3/s；根据雷诺数的计算结果，如果雷诺数在2300以下，为层流状态，则在计算流体分析过程中就需要采取层流模型进行分析；
如果雷诺数在4000以上，为湍流状态，则在计算流体分析中应采用湍流模型进行分析。作为另一种优选方案，本发明所述过渡流状态的判断方式为：当管内雷诺数范围处于2300～
4000之间时，属于过渡流状态。作为另一种优选方案，本发明所述湍流模型采用两方程模型。作为另一种优选方案，本发明在雷诺数较低的湍流时候，采用两方程模型的k-ω模型；
在雷诺数较高的湍流场合，采用两方程模型的k-ε模型。作为另一种优选方案，本发明所述雷诺数较低是指雷诺数在4000～200000时；雷诺数较高是指雷诺数在200000～1200000。作为另一种优选方案，本发明对于大管径管道，雷诺数范围处于200000到1200000之间，采用两方程模型的k-ε模型。作为另一种优选方案，本发明检测管网内流动介质的操作压力、操作温度、流量范围、物性参数、组分、组分对应比例、浓度、湿度。作为另一种优选方案，本发明所述管网内流动介质的操作压力、操作温度、流量范围、物性参数、组分、组分对应比例、浓度、湿度分别通过压力计、温度计、流量计、密度计、组份分析仪、浓度计、湿度计进行检测；得到这些数据后，将其中的温度、压力、流量、密度、组分、湿度、浓度等变量作为初始条件和边界条件，进行计算流体的分析计算，以获取最终工况条件下的工况校准算法；或将上述数据接入工况校准装置，对管内流动介质的物性参数进行实时补偿。作为另一种优选方案，本发明所述步骤4)提取计算流体分析的数据，当管道内流动介质为气体或者气体含有少量液体时，则应该提取管道内水平向上45°以上的管道内介质流动数据；当管道内流动介质为液体或者液体含有少量气体时，则应该提取管道内水平向下45°以下的管道内介质流动数据。作为另一种优选方案，本发明管网计算流体数据的提取与设计施工的一致性。作为另一种优选方案，本发明管网计算流体数据的提取与设计施工的一致性为：当工业现场采用了法兰取压方式(法兰取压方式可采用GB2624-2006)，则进行计算流体的数据提取时也采用法兰取压的方式；如果工业现场采用了径距取压方式，则计算流体分析完后也采用径距取压方式提取数据。作为另一种优选方案，本发明所述气体含有少量液体是指含液率不超过5％，液体含有少量气体是指含气率不超过5％。作为另一种优选方案，本发明所述提取是指采用导压管取出流量计前后两侧的压力数据并传递给差压变送器，形成差压信号，包括法兰取压、角接取压、径距取压等提取方式。作为另一种优选方案，本发明所述流动数据包括不同截面上的速度数据、压力数据、湿度数据、组分数据、浓度数据及相态数据；速度数据包含速度大小和速度方向，速度大小用于计量过程中线性关系的校准分析，速度方向用于判断涡流区域，安装流量计时避开涡流；湿度、组分、浓度及相态信息提供给工况校准装置做算法使用。作为另一种优选方案，本发明如果管道的流量计已经安装，提取安装位置的流场数据，根据已经安装流量计位置的流场数据来重新校准流量算法。作为另一种优选方案，本发明对于管网上已经安装差压流量计的数据提取，如果现场采用径距取压、法兰取压或角接取压中的一种，则提取差压数据时也必须提取对应的取压方式。本发明对于未确定取压位置流量计的非对称的竖直管道水平取压时，校准方法考虑数据提取中造成的计量线性度影响，并指导现场安装时选择最佳取压位置，在图12中，给出了1号位置取压、2号位置取压、3号位置取压分别对应的线性度，分别如图13、14、15所示，其中图13对应1号位置取压的线性度，该线性度为三种取压位置的最好线性度，在现场安装安装导压管取压时，应将导压管按照1号取压位置安装。如图12所示，当管道为非对称管道时，1号位置、2号位置及3号位置均可取压，但是由于该管道直管段不足，且存在变径(上游底部依次为减缩管、直管段、渐扩管、弯头)，管内流体在流量计安装位置附近不同取压位置对计量线性度有影响。图13、
14、15为不同取压位置的提取数据分析。根据图13、14、15的数据提取结果可知，除了取压方式外，合适的取压位置对工业现场的计量有重要影响。作为另一种优选方案，本发明所述竖直管道的前端为第一前弯头，第一前弯头的前端依次通过减缩管、前直管段、渐扩管、第二弯头、前竖管相连，前竖管与竖直管道位于第一前弯头的同侧，竖直管道的后端通过后弯头与后直管段连接，后直管段与前直管段位于竖直管道两侧；取压位置为竖直管道长度方向中部的横截面上。作为另一种优选方案，本发明所述取压位置为横截面上三点中的任一点，该三点为横截面的两端点和与该两端点连接垂直的直线所经过的横截面的端点，该直线在横截面上；该两端点的连线与前直管段、后直管段平行。作为另一种优选方案，本发明所述步骤4)将其回归为工况条件下的计量算法，根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数，将其做成算法内置于工况校准装置中的单片机中。作为另一种优选方案，本发明所述根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数为：工况下的系数通过提取的差压数据计算，具体算法为： 其中，K-工况系数；Qv—体积流量；ΔP—计算流体提取的差压。作为另一种优选方案，本发明所述做成算法为：利用刻度流量、最大流量、常用流量及最小流量下做出来的工况系数K，做成K与流量Qv的关系式，然后采用差压变送器实时读取差压的数据，获得流量的算法； ΔP1_差压变送器实时采集到的差压值。作为另一种优选方案，本发明所述骤4)将其回归为工况条件下的计量算法，对于直管段不足的管道，流量计在直管段，直管段后端为上弯口，直管段前部为阀门，直管段前端为进口。如图16所示，由于水在常温常压下可以当作不可压缩流体(ε＝1)，此处以最简单的水为例进行算法回归的说明。工况选择一个直管段不足的工况，流量计上游为阀门，下游为弯头，安装流量计的位置假定现场已经确定，流量计类型为差压原理的多孔类流量计。在图16中，如果不考虑上游的蝶阀和下游的单弯头，则流体计量的差压我们称之为理想差压，即充分发展流场对应的差压，相应的仪表系数为理想系数K。如果考虑上下游的阻流件，则得到实际差压和实际系数，如图17所示。通过图17，如果在算法回归时采用理想状态下的算法，不考虑实际工况的阻流件，则差压值统一偏高(流量越小，差压值偏差越大)，导致算法中采用的理想系数偏低，导致计量结果会有5％～6％的偏差。本发明的回归算法根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数，将其做成算法内置于工况校准装置中，能较好地反应管内流动的真实情况。其次，本发明所述直管段不足的管道是指：根据流量计的类型不同，直管段不足的要求不同；超声波流量计要求15D，孔板流量计要求20D，电磁流量计要求10D，多孔类流量计要求5D以上；直管段不足根据采用流量计类型进行判断，不同类型流量计对应的直管段以库的形式存储存在工况校准装置的数据存储部分中，供调用。另外，本发明所述阀门为蝶阀，管道为循环水管道，流量计为多孔类流量计。本发明有益效果。本发明提供一种工业计量用工况校准装置的，通过各部分的配合，可靠完成工业计量用工况校准。
定x、y和z方向的速度收敛条件为10 ，连续性、湍动能及耗散率保持不变；经过数值模拟后获得管网的压力场、速度场及流线图分布情况；供水管网或回水管网，温度场始终显示的是操作状态下的温度，温度场在整个过程中保持不变。作为另一种优选方案，本发明所述状态模型的确定为：根据雷诺数对流动状态进行确定，判断该流动状态是属于层流状态、过渡流状态还是湍流状态；下面为具体判断过程：流动状态判断的特征数为管道雷诺数，其计算方法如公式(1.10)所示； 其中，ReD—管道雷诺数，表征流动状态的特征
3
数；ρ—工况下节流件上游处流体的密度，kg/m ；v表示管道内介质的流速；μ—管道内流动介质的动力粘度；D—管道内径，非规则管道用水力直径取代，计算方法如公式(1.11)所示；
A—管道截面积；L—管道湿周，对应流体通过管道时浸润部分的周长；如果
现场已知流量范围，则将公式(1.10)调整为流量对应的算法，如公式(1.12)所示；
qm—管道内流动介质的质量流量，在雷诺数计算中知道其范
围即可；qv—流体的体积流量(工况下流体的体积流量)，m3/s；根据雷诺数的计算结果，如果雷诺数在2300以下，为层流状态，则在计算流体分析过程中就需要采取层流模型进行分析；
如果雷诺数在4000以上，为湍流状态，则在计算流体分析中应采用湍流模型进行分析。作为另一种优选方案，本发明所述过渡流状态的判断方式为：当管内雷诺数范围处于2300～
4000之间时，属于过渡流状态。作为另一种优选方案，本发明所述湍流模型采用两方程模型。作为另一种优选方案，本发明在雷诺数较低的湍流时候，采用两方程模型的k-ω模型；
在雷诺数较高的湍流场合，采用两方程模型的k-ε模型。作为另一种优选方案，本发明所述雷诺数较低是指雷诺数在4000～200000时；雷诺数较高是指雷诺数在200000～1200000。作为另一种优选方案，本发明对于大管径管道，雷诺数范围处于200000到1200000之间，采用两方程模型的k-ε模型。作为另一种优选方案，本发明检测管网内流动介质的操作压力、操作温度、流量范围、物性参数、组分、组分对应比例、浓度、湿度。作为另一种优选方案，本发明所述管网内流动介质的操作压力、操作温度、流量范围、物性参数、组分、组分对应比例、浓度、湿度分别通过压力计、温度计、流量计、密度计、组份分析仪、浓度计、湿度计进行检测；得到这些数据后，将其中的温度、压力、流量、密度、组分、湿度、浓度等变量作为初始条件和边界条件，进行计算流体的分析计算，以获取最终工况条件下的工况校准算法；或将上述数据接入工况校准装置，对管内流动介质的物性参数进行实时补偿。作为另一种优选方案，本发明所述步骤4)提取计算流体分析的数据，当管道内流动介质为气体或者气体含有少量液体时，则应该提取管道内水平向上45°以上的管道内介质流动数据；当管道内流动介质为液体或者液体含有少量气体时，则应该提取管道内水平向下45°以下的管道内介质流动数据。作为另一种优选方案，本发明管网计算流体数据的提取与设计施工的一致性。作为另一种优选方案，本发明管网计算流体数据的提取与设计施工的一致性为：当工业现场采用了法兰取压方式(法兰取压方式可采用GB2624-2006)，则进行计算流体的数据提取时也采用法兰取压的方式；如果工业现场采用了径距取压方式，则计算流体分析完后也采用径距取压方式提取数据。作为另一种优选方案，本发明所述气体含有少量液体是指含液率不超过5％，液体含有少量气体是指含气率不超过5％。作为另一种优选方案，本发明所述提取是指采用导压管取出流量计前后两侧的压力数据并传递给差压变送器，形成差压信号，包括法兰取压、角接取压、径距取压等提取方式。作为另一种优选方案，本发明所述流动数据包括不同截面上的速度数据、压力数据、湿度数据、组分数据、浓度数据及相态数据；速度数据包含速度大小和速度方向，速度大小用于计量过程中线性关系的校准分析，速度方向用于判断涡流区域，安装流量计时避开涡流；湿度、组分、浓度及相态信息提供给工况校准装置做算法使用。作为另一种优选方案，本发明如果管道的流量计已经安装，提取安装位置的流场数据，根据已经安装流量计位置的流场数据来重新校准流量算法。作为另一种优选方案，本发明对于管网上已经安装差压流量计的数据提取，如果现场采用径距取压、法兰取压或角接取压中的一种，则提取差压数据时也必须提取对应的取压方式。本发明对于未确定取压位置流量计的非对称的竖直管道水平取压时，校准方法考虑数据提取中造成的计量线性度影响，并指导现场安装时选择最佳取压位置，在图12中，给出了1号位置取压、2号位置取压、3号位置取压分别对应的线性度，分别如图13、14、15所示，其中图13对应1号位置取压的线性度，该线性度为三种取压位置的最好线性度，在现场安装安装导压管取压时，应将导压管按照1号取压位置安装。如图12所示，当管道为非对称管道时，1号位置、2号位置及3号位置均可取压，但是由于该管道直管段不足，且存在变径(上游底部依次为减缩管、直管段、渐扩管、弯头)，管内流体在流量计安装位置附近不同取压位置对计量线性度有影响。图13、
14、15为不同取压位置的提取数据分析。根据图13、14、15的数据提取结果可知，除了取压方式外，合适的取压位置对工业现场的计量有重要影响。作为另一种优选方案，本发明所述竖直管道的前端为第一前弯头，第一前弯头的前端依次通过减缩管、前直管段、渐扩管、第二弯头、前竖管相连，前竖管与竖直管道位于第一前弯头的同侧，竖直管道的后端通过后弯头与后直管段连接，后直管段与前直管段位于竖直管道两侧；取压位置为竖直管道长度方向中部的横截面上。作为另一种优选方案，本发明所述取压位置为横截面上三点中的任一点，该三点为横截面的两端点和与该两端点连接垂直的直线所经过的横截面的端点，该直线在横截面上；该两端点的连线与前直管段、后直管段平行。作为另一种优选方案，本发明所述步骤4)将其回归为工况条件下的计量算法，根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数，将其做成算法内置于工况校准装置中的单片机中。作为另一种优选方案，本发明所述根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数为：工况下的系数通过提取的差压数据计算，具体算法为： 其中，K-工况系数；Qv—体积流量；ΔP—计算流体提取的差压。作为另一种优选方案，本发明所述做成算法为：利用刻度流量、最大流量、常用流量及最小流量下做出来的工况系数K，做成K与流量Qv的关系式，然后采用差压变送器实时读取差压的数据，获得流量的算法； ΔP1_差压变送器实时采集到的差压值。作为另一种优选方案，本发明所述骤4)将其回归为工况条件下的计量算法，对于直管段不足的管道，流量计在直管段，直管段后端为上弯口，直管段前部为阀门，直管段前端为进口。如图16所示，由于水在常温常压下可以当作不可压缩流体(ε＝1)，此处以最简单的水为例进行算法回归的说明。工况选择一个直管段不足的工况，流量计上游为阀门，下游为弯头，安装流量计的位置假定现场已经确定，流量计类型为差压原理的多孔类流量计。在图16中，如果不考虑上游的蝶阀和下游的单弯头，则流体计量的差压我们称之为理想差压，即充分发展流场对应的差压，相应的仪表系数为理想系数K。如果考虑上下游的阻流件，则得到实际差压和实际系数，如图17所示。通过图17，如果在算法回归时采用理想状态下的算法，不考虑实际工况的阻流件，则差压值统一偏高(流量越小，差压值偏差越大)，导致算法中采用的理想系数偏低，导致计量结果会有5％～6％的偏差。本发明的回归算法根据计算流体分析的结果，提取了实际工况下的系数，将其做成算法内置于工况校准装置中，能较好地反应管内流动的真实情况。其次，本发明所述直管段不足的管道是指：根据流量计的类型不同，直管段不足的要求不同；超声波流量计要求15D，孔板流量计要求20D，电磁流量计要求10D，多孔类流量计要求5D以上；直管段不足根据采用流量计类型进行判断，不同类型流量计对应的直管段以库的形式存储存在工况校准装置的数据存储部分中，供调用。另外，本发明所述阀门为蝶阀，管道为循环水管道，流量计为多孔类流量计。本发明有益效果。本发明提供一种工业计量用工况校准装置的，通过各部分的配合，可靠完成工业计量用工况校准。
[0032] 附图说明 图1～图7是本发明电路原理图。图8、9是图7的局部放大图。图10是本发明小管径实流验证与计算流体分析结果比对表。图11是本发明大管径气体系统实流验证及计算流体分析结果对比图。图12是本发明不同取压位置提取数据后的线性度对比图。图13是本发明1号取压位置数据提取后的线性度表。图14是本发明2号取压位置数据提取后的线性度表。图15是本发明3号取压位置数据提取后的线性度表。图16是本发明循环水计量过程中的工况校准背景图。图17是本发明理想状态和实际工况状态下的计量算法对比表。图18是本发明离散化过程中将管网划分为实际的控制容积图。图19是本发明进行离散化处理后示意图。图20是本发明高炉煤气总管物理模型图。图21是本发明电厂磨煤机入口磨煤风的管内物理模型图。图22是本发明水泥厂篦冷机物理模型图。图23是本发明数值求解过程图。图24是本发明FA06管道三维模型图。图25是本发明FA06管道气流分布图。图26是本发明FA06管道直管段上速度场分析图。图27、28是本发明FA06管段沿X方向各剖面速度矢量图。
图29是本发明FA06管段沿Z方向各剖面速度矢量图。图30是插入式工况流量计现场安装位置。图31是本发明FA06管道安装流量计后精度分析表。图32是本发明FA06管道差压与流量函数关系式图。图33是本发明FA06管道流量计算公式验证表。
图29是本发明FA06管段沿Z方向各剖面速度矢量图。图30是插入式工况流量计现场安装位置。图31是本发明FA06管道安装流量计后精度分析表。图32是本发明FA06管道差压与流量函数关系式图。图33是本发明FA06管道流量计算公式验证表。
[0033] 具体实施方式 以某水泥企业的冷却风计量为例进行说明。根据FA06冷却风送风管道图纸建立三维模型如图24示，直管段下游出口为篦冷机冷却篦下的腔体，属于突扩管结构，在此以腔体形式表示。测量现场基本参数如下所示：介质：空气；工作温度：常温；工作压力：10.2KPa；最小流量12000m3/h；常用流量18000m3/h；最大流量26100m3/h；刻度流量3 3
28000m/h；流向：如图24所示；管道直径：1450×650mm；工况密度：1.23731kg/m ；动力粘度：
1.81×10-5Pa·S。FA06冷却风气流分布规律；采用现场提供的最大流量运行参数对FA06冷却风送风管道流场进行数值计算，并给出了计算流体分析结果如下。如图25(a)、(b)分别为FA06管道冷却风速度和压力分布云图，气流从入口处进入，受到管道扩管的影响，管道中心流速高两侧流速度低，形成喷射型气流分布；随后气流进入弯头，弯头外侧产生大型涡流，形成流动死区，无法对入口处喷射型流场进行约束。图25(c)管道纵切面速度分布云图可以看到，弯头后侧水平管道开始对喷射流场产生约束，水平直管段上侧气流流速高，下侧气流流速低，由于直管段较短，流场不能得到有效恢复。图25(d)为FA06管道纵切面压力分布云图，由于气流在管道入口流速较高，导致入口压力较其他位置低，形成压力场倒置的情况。
上述气流流动的不稳定将对流量计安装位置的确定产生很高的要求，对流量计量结果的准确性造成不利影响。
28000m/h；流向：如图24所示；管道直径：1450×650mm；工况密度：1.23731kg/m ；动力粘度：
1.81×10-5Pa·S。FA06冷却风气流分布规律；采用现场提供的最大流量运行参数对FA06冷却风送风管道流场进行数值计算，并给出了计算流体分析结果如下。如图25(a)、(b)分别为FA06管道冷却风速度和压力分布云图，气流从入口处进入，受到管道扩管的影响，管道中心流速高两侧流速度低，形成喷射型气流分布；随后气流进入弯头，弯头外侧产生大型涡流，形成流动死区，无法对入口处喷射型流场进行约束。图25(c)管道纵切面速度分布云图可以看到，弯头后侧水平管道开始对喷射流场产生约束，水平直管段上侧气流流速高，下侧气流流速低，由于直管段较短，流场不能得到有效恢复。图25(d)为FA06管道纵切面压力分布云图，由于气流在管道入口流速较高，导致入口压力较其他位置低，形成压力场倒置的情况。
上述气流流动的不稳定将对流量计安装位置的确定产生很高的要求，对流量计量结果的准确性造成不利影响。
[0034] 流量传感器的确定根据目前现场提供工况，篦冷机冷却风一般含有粉尘，为了保证烟气计量过程中不堵塞，流量传感器必须具备防堵特性；粉尘对流量计的冲刷易引起流量计磨损变形，降低使用寿命，因此流量传感器必须具备耐磨特性。此处选用智能插入式工况流量计进行测量。
[0035] 流量计安装位置的确定在FA06冷却风管道的水平直管段，每隔0.3m选取一个横截面，共选取10个截面(为方便观察，图26(a)仅显示5个截面)；从各横截面平均流速分布曲线(如图26(b))可以看出，在横截面坐标0m至1m区域流速快速降低，超过1m以后流速降低减缓，在2m和2.5m的截面上比较稳定；这是由于在在横截面坐标2m到2.5m之间的区域，受直管段上游扩径与弯头结构影响最小，因此流速波动最小，故选择坐标值为2.3m的截面安装流量传感器。确定流量计安装截面后，分析在选定截面Y＝2.3m区域，选择X方向上气流速度矢量与主流方向最吻合的截面，如图27、28为FA06直管段上X方向各剖面速度矢量图(仅展示X＝-0.2m～0.1m区域代表性截面)，在已选Y＝2.3m截面区域，X＝-0.1m至X＝0m剖面的速度方向与主流方向吻合程度最高。为了现场施工定位方便，此处选择X＝0m剖面，即管道中心纵切面。
[0036] 接下来分析插入深度，即流量传感器在Z方向的位置，选择要求是在Y＝2.3m截面与X＝0m截面交汇处，速度变化平稳，速度矢量方向与主流方向一致。根据图27、28中所选X＝0m剖面的速度分布和速度矢量方向，管道下部速度分布紊乱，不予考虑，在此只分析管道上部(Z负方向)流场。在Z方向做剖面如图29所示，其中Z＝-0.4截面符合选择要求，因此流量计传感器应插入到Z＝-0.4截面。为便于现场安装，给出相对距离如图30所示。
[0037] FA06工况精度分析按照上述安装位置将流量计安装在篦冷机冷却风送风管道3 3 3
FA06上，分别按照刻度流量：28000m/h、最大流量：26100m /h、常用流量：18000m/h、最小流量：12000m3/h，进行工况校准分析，获得的流量计量精度分析数据如图31所示。
FA06上，分别按照刻度流量：28000m/h、最大流量：26100m /h、常用流量：18000m/h、最小流量：12000m3/h，进行工况校准分析，获得的流量计量精度分析数据如图31所示。
[0038] 根据图31可得，FA06篦冷机冷却风送风管道安装流量计后实标结果的平均仪表系数为0.648607629；仪表精度5.42％，5.5级精度；刻度流量下差压值215.1337Pa，最小流量下差压值35.67854Pa，可以满足差压变送器的信号要求。在设计量程12000m3/h～28000m3/h流量下，流量计精度较低；需要根据工况标定结果确定流量计算公式，以获得高精度计量结果。如测量现场不能使用流量计算公式，则可根据工况校准结果，设定多个仪表系数进行分段修正，以保障计量精度。
[0039] 流量计算公式及其验证
[0040] FA06管道中流量计精度较差，需要根据本方案的实际标定结果，确定在FA06管道工况下，流量与差压的函数关系如图32，到流量计算公式：
[0041]
[0042] G——质量流量(kg/s) ΔP——差压(Pa) ρ0——设计气体密度(1.23731kg/m3)[0043] ρ1——工况下气体密度(kg/m3) 其中a、b、c、d、e为常数：
[0044] a＝-7.57410839579×10-9 b＝4.83051778033677×10-6
[0045] c＝1.17176369611371×10-3 d＝1.52044631068236×10-1 e＝1.5882×10-16[0046] 分别将管道流量调整为16000m3/h、20000m3/h、22000m3/h、24000m3/h，重新进行工况标定，综合表1工况管标定结果，得到流量公式(1)的计算流量与实际流量误差如图33所示。
[0047] 由图33可知，在验证经过流量计算公式的修正后，测量精度由5.42％提升至0.61％，精度等级由5.5级提升至1级，测量精度大幅提高。