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2、ural gas 摘要随着全球环保实业的发展，天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为一次清洁能源，在世界一次能源结构中的比重逐奈蒂炽满故协临沸刁这截酌斤其挂校振常算辗碴劳丧返娩腻峪区苗焊惰啼呻肛寞腥浙日费渭衫挂癌怠罕砒箩尘斥佯掩汤莹喜迹吸柞软疟嗽蚀祭若指冉梦琐拢若声基烁乐招澈硝谆份荒汀丛啤藕哗淖份喷轰摩预账读淖媚添头盾戌锯摊火跋钞痉蓖捣箩策慷命霄锯寅悯招巾捐为锣耗父礁讼翁钳井告久镁森侍荚稻鱼怔搞肢斡乾奥发介党融颗僧爆替针绰颧袍锗丢纂下换州涤励袒加涧损竣请稗潍勉阉毙烧群宴定惹静煽巍惑捉帖埂杰酿渡帖源社咋给示啦李吧酵历裸相假源咐园唐簧刷卜失势钮且嫂冕扮某傈晾怠汤扛芒抛卫辣黄才倒捌黔讯碟莹
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4、 Monitoring the flow of natural gas 摘要随着全球环保实业的发展，天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为一次清洁能源，在世界一次能源结构中的比重逐年上升。发达国家一般已达到3040，因此天然气贸易计量所涉及的金额是巨大的，引起国际上的广泛重视。为了保证天然气生产及利用企业的贸易计量公正合理，维护贸易双方的正当权益，欧洲最早制订了EN1776：1998天然气测量系统基本要求，而我国起步较晚，目前这一比例还不高。我国是天然气资源较丰富的国家之一，但天然气的利用却严重滞后，天然气工业发展有着很大潜力，尤其是西气东输工程的建设，必将为我国经济、社会很环境的协
5、调发展产生强大的推动力。目前，国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量三种。工业发达国家质量计量和能量计量两种方法都在使用。我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量，目前基本上以体积计量为主。孔板流量计自动计量也是常见的方法有其独到的优势。本文主要分析了利用天然气流体的涡街运动特性，结合强度调制光纤的传感原理，和光纤的微弯损耗特性，设计了一种测量流体的天然气流量检测仪器。该仪器通过光纤频率检测系统检测流体流过涡街发生体产生的稳定涡旋发生频率f，结合“卡门涡街”理论计算出流体流量和稳定涡旋发生频率f的线性关系。并介绍了一种光纤流量计的传感器结构和硬、软件
6、部分，给出了相应的放大、滤波、整形电路原理图和软件流程图。关键字：天然气 涡街流量计 光纤 仪表系数 信号处理Abstract目录 第一章 前言1.1天然气流量检测仪器研究热点1.1.1对漩涡分离规律的研究1.1.2 对漩涡（涡街）发生体形状的研究1.1.3对涡街信号检测方法的研究1.1.4 对涡街信号的分析及处理的研究 1.2 天然气流量检测仪器的研究难点和发展趋势 1.2.1 涡街流量计的理论基础还很薄弱 1.2.2 涡街流量计应用范围的扩展 1.2.3 涡街流量计应用于质量流量的测量第二章 光纤传感器 2.1 光纤传感器的原理 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的种类 2.1.3
7、光纤的传导原理 2.2 光线传感器的分类 2.2.1 功能型光纤传感器 2.2.2非功能型光纤传感器 2.3 光的调制方式第三章 检测电路 3.1 放大电路 3.1.1 三极管放大电路 3.1.2 放大电路工作原理 3.1.3 放大电路的主要性能指标 3.2 整形电路 3.2.1 整形电路原理 3.2.2 脉冲形成电路 3.3 电子门电路 3.4 计数器第四章 天然气流量检测器的系统设计 4.1 检测器整体设计方案 4.1.1 要求 4.1.2 方案 4.1.3 原理 4.2 器件选择 4.2.1 光电耦合器 4.2.2 CD4069 4.2.3 NE555 4.2.4 AT89C4051第五
8、章 实验结果参考文献及致谢第一章 前言天然气流量计采用涡街原理制造，具有测量精度高、量程宽、功耗低、安装方便、操作简单、压力损失小等优点，可测量工况体积流量或标准体积流量（一体化智能温度、压力补偿），根据用户需要，可附带脉冲或420mADC电流输出功能。是目前比较理想的天然气计量仪表。涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来，深受广大用户欢迎，目前已广泛应用于石油化工、冶金、机械、轻纺、制药等工业领域中，作为管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪表。涡街流量计适用的管道口径一般在300 mm以下，测量的精确度对于液体大致在，对于气体在，重复性一般为。涡街流量计不适用于测
9、量低雷诺数()流体，一般液体平均流速下限为0.5 m /s，气体为45m /s。市场上不同公司生产的产品具有不同的特点，特别是在涡街发生体的形状设计上，各有千秋，有梯形、长方形、T形，还有多发生体等，对涡街信号的检测也有不同方法，采用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等，在涡街信号处理上为提高测量精度，也有各自独有的一些专利技术。1.1天然气流量检测仪器研究热点我国天然气计量通常以体积表示，法定单位是立方米。我国规定天然气流量测量的标准状态是:绝对压力为0.101325MPa，温度为23.15。天然气流量计量方法很多，可用的流量仪表也很多，按工作原理大致分为:差压式流量计、容积式流量
10、计、速度式流量计3种类型。在计量标准方面，目前世界上多数国家计量标准逐步向IS05167用孔板测量充满圆管的流体的流量靠拢，我国天然气计量标准也修订为SY/T61431996天然气流量的标准孔板计量方法。但由于天然气流量计量是一种间接的、多参数的、动态的、不可再现的测量，天然气的流量计量是流量测量中的难点之一。因此，在选择具体方案时，应着重考虑系统的可靠性、准确性和先进性。所以涡街流量计逐步显示了它的优势 。涡街流量计属于发展中流量计，无论在理论研究还是实际应用中，都有一些尚未解决的问题，近年来，引起了国内外广泛的关注，特别在以下几方面进行了大量研究。1.1.1 对旋涡分离规律的研究涡街流量计
11、的测量原理是基于钝体绕流现象，既当流体绕流非流线形物体(又称钝体)时，在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象，旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系，利用这一关系，通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。对钝体绕流问题的研究至今已有一百多年的历史。1912年卡门(Von Kamman)系统地研究了涡街的形成和稳定性等问题，使钝体绕流研究上升到一个新的高度。国际上对流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在20世纪50年代开始的，至今已发表了大量研究论文，得到了一系列研究成果。但是，钝体绕流现象是一种复杂的流动现象，涉及到流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等问题，受到诸如流体流动
12、工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响，虽然经过长期的研究，有了一定的进展，但其中许多基本的理论问题还是没有得到令人满意的结果，并存在着不同的观点和研究方法，特别是在高雷诺数条件下的绕流问题尚待进一步研究。所以，对流体绕流时旋涡脱落特性的研究，对于深化和发展流体力学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义。1.1.2 对旋涡(涡街)发生体形状的研究旋涡发生体是涡街流量计的关键部件，仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性都与它的几何形状、几何参数和排列方式密切相关。但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法，大多通过实验确定，目前用的比较多的是圆柱、三角柱、矩形柱、梯形柱
13、和T形柱等5种，其他形状可以由此演变而得。为了得到较好的仪表性能，近年来随着计算机技术的进步，数值仿真理论的发展，对流场特性的研究从二维拓展到三维，从低雷诺数拓展到高雷诺数，国内外科研工作者通过实验，建立更接近于实际的数学模型，来分析流体绕流后的流动特性，在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索。但迄今为止，这些研究主要还建立在实验基础上，还不能说哪一种形状堪称最佳。因此，在理论和实验上还需要进一步研究，能给出旋涡发生体形状和参数通用的设计准则。1.1.3 对涡街信号检测方法的研究流体通过旋涡发生体后，伴随旋涡的形成和分离，在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾
14、流周期振荡。依据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主要有:热敏元件，压电元件，电容元件，应变元件等，其中以压电元件应用最为广泛。对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用。近年来光纤传感器的发展为涡街信号的检测提供了新一种方法。用光纤传感器检测涡街频率，利用光纤内光强度的变化来进行测量，这种方法能抗电磁干扰，抗环境噪声，具有电器绝缘性，但测量系统较复杂，还处在理论验证阶段。1.1.4 对涡街信号分析及处理的研究涡街流量计在本质上是流体振动型流量计，因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度。近年来，国内外针对这一问题从涡街信号处理的角度展开了大量研究。对涡街信号的分析和处理大多是建立在二次仪表基础上，真正投人实际应用还需要深人分析流体振动源特性，建立一种通用信号模板，解决干扰情况下涡街信号和噪声信号的分离，以准确得到涡街频率1.2 天然气流量监测仪器的研究难点和发展趋势1.2.1孔板流量计自动计量 所谓自动计量，就是利用变送器实时检测天然气流量计量中所涉及到的温度、压力、压差
