摘要 ：本文在調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、溫度、測量工況以及部件安裝條件等都會對天然氣計量結果產(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，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)介質材料溫度和壓力，結合實際天然氣運營情況，合理調準天然氣標準范圍，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果產(chǎn)生影響，流體含有雜質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，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可能會導致部件轉角口、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	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?？捎糜诟鞣N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, 采取內置式組合,使結構更加緊湊，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，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、 結構與工作原理

2.1流量計結構流量計

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，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，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，不受流體物理性質和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉進動頻率就能在較寬的流量范圍內獲得良好的線性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉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，可通過電話線或寬帶網(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  ——被測介質密度（kg/m3） ΔP -——介質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的流動媒質的上、下游分別放置超聲波換能器A和B，結構如圖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

    

    一段時間內的累積流量為

    

    2 系統(tǒng)硬件設計

    2.1 系統(tǒng)結構與工作原理

    流量計系統(tǒng)的整體結構為微控制器+FPGA結構，如圖2所示。由于模擬信號和數(shù)字信號對信號質量的要求不同，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內部集成了系統(tǒng)中的大部分數(shù)字電路。微控制器+FPGA結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，將結果送到LED上顯示出來。

圖2 系統(tǒng)結構簡圖

    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，利用芯片內的高精度數(shù)字鎖相環(huán)，實現(xiàn)芯片內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，軟件主程序結構比較簡單，在流程中體現(xiàn)出模塊結構，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。    

    模塊化程序結構包括：中斷服務程序結構、流速與流量計算程序結構、數(shù)據(jù)存儲程序結構等[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。風機由變頻調速電機控制，通過計算機控制，測試系統(tǒng)可以設定變頻調速電機的轉速以調節(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。