在蒸汽流量的测量中，以传统的流量计量补偿思想为基础，利用MSP430.doc

引言　　当前多数智能仪表都采取了一定的流量补偿技术，但补偿的数学模型建立过程考虑并不十分周全，计量的准确性仍然不高。本文针对这一情况，在蒸汽流量的测量中，以传统的流量计量补偿思想为基础，利用MSP430单片机开发了以水和蒸汽热力学工业公式IAPWS-IF97为核心的计算软件包，使得在工况大范围变化时，流量计的补偿精度仍具有较大的提高。同时由于该型号单片机具有丰富的低功耗模式和强大的运算能力，不仅提高了补偿的精度，而且降低了成本。 1 蒸汽流量测量及密度补偿方法分析 　　差压式流量计是目前计量蒸汽流量的主要仪表，其流量依据《GB/T 2624-93流量测量节流装置，用孔板、喷嘴和文丘里管测充满圆管的流体流量》中的数学模型进行计算。当蒸汽工况发生改变时，我们应根据蒸汽密度进行流量补偿，进行蒸汽流量的密度补偿必须实时检测出蒸汽的密度。 　　工程上应用的水蒸汽大多处于刚刚脱离液态或离液态较近，它的性质与理想气体大不相同，应视为实际气体。水蒸汽的物理性质较理想气体要复杂的多，故不能用简单的数学式加以描述。目前，智能仪表中常用的水蒸汽密度的确定方法主要有如下几种。 1.1 查表法 　　把水蒸汽密度表置入仪表中，根据工况的温度、压力从表中查出相应的密度值。此种方法能够得到很高的补偿精度，但是数据量巨大，需要占用大量的存储空间，应用数据表首先要判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽，再查不同的数据表；另外数据表的变量是有一定步长的非连续量，对于两点之间的数据，需经过数学内插处理获得，而二元函数的插值公式也不简单。 1.2 公式计算法 　　饱和水蒸汽密度是温度或压力的一元函数，即ρ=f(T)或ρ=f(P)，在目前的智能仪表中通常根据量程和精度的需要，借助饱和水蒸汽密度表进行函数拟合，得到符合精度要求的解析式来计算饱和水蒸汽的密度。 　　过热水蒸汽情况比较复杂，其密度为温度、压力的二元函数，即ρ=f(P，T)，经过人们长期的探索，其解析式函数已有不少的研究成果，当前工程上常用的过热蒸汽密度计算公式主要如下： (1) 实验拟合公式 　　计算过热水蒸汽的经验公式有很多，式(1)是文献[1]中给出的拟合公式： 式(1)在温度为200～570℃，压力为0.5～11.5 MPa范围内误差为±0.22％。 (2) 乌卡诺维奇公式 　　乌卡诺维奇公式是拟合的比较好的公式，在250℃以内的过热蒸汽与数表有很好的符合程度(偏差在0.1％左右)；在250～300℃范围，靠近饱和线附近偏差较大，可达1％；在300～350℃范围，靠近饱和线附近可达6％。由于公式比较简单，在250℃以内使用是比较好的。 1.3 IAPWS-IF97公式 　　水和蒸汽热力学性质的新工业标准“IAPWS-1997工业公式”，包括了计算水和蒸汽热力学性质的所有方程。该公式是水和蒸汽性质国际协会(IAPWS)于1997年在德国Erlange召开的年会上确认的国际标准。 　　IAPWS-IF97公式将水和水蒸汽的不同状态分为5个区域，每个区都有不同的计算公式。工业上最常用的是压力低于16.65 MPa，温度低于600℃范围的过热蒸汽和饱和蒸汽，属于IAPWS-IF97公式的第2区，因此我们只需利用2区提供的方程组进行计算即可。以下是文献[3]中给出的第2区计算蒸汽比容的公式： 式中：p为压力，MPa；v为比体积，m3/kg；T为温度，K；R为水物质气体常数，0.461 526 kJ·Kg-1·K-1；ni，Ii，Ji为公式系数，可由数据表提供，置入单片机内存中。 　　由此可计算出工业常用范围内水蒸汽的密度为： 可见，应用式(8)只需安装有温度、压力变送器，不需要判断是饱和蒸汽还是过热蒸汽就可以准确测量。对于确定是饱和蒸汽的场合，只需要测温或测压，利用IAPWS-IF97公式第4区中给出的方程组计算出饱和压力或饱和温度，再代入上述公式中，也可准确计算饱蒸汽密度。 　　利用IAPWS-IF97计算的水和水蒸汽单相区(1—3区)比容的不确定性在±0.05％左右，因此完全能够满足一般的工业计算要求的精度。目前已经有一些在PC机上利用IAPWS-IF97公式编制的计算蒸汽性质的软件。 2 系统设计 　　由以上分析可见，使用IAPWS-IF97公式不需要占用大量的内存空间，并且在工业常用范围(压力低于16.65 MPa，温度低于600℃)内计算所得的蒸汽密度符合国际标准，是蒸汽密度补偿的首选公式。但将其应用于以单片机为核心的智能仪表，至今仍未见报导，下面笔者就此做出了一些探索，在基于单片机的智能差压式流量计中实现了以IAPSW-IF97公式为基础的密度补偿，结果表明，在工况大范围变化时，有效提高了蒸汽流量测量的密度补偿精度。 2.1 硬件设计　　仪表的硬件电路原理图如图1所示，由传感器检测到流体经节流件前后的差压信号△p