多通道气体流量计算机的研制

摘要

近年来，随着国家天然气输送管道的大量建设，贸易用气体流量计需求量大增。本文在阅读了国内外气体流量计算机文献和分析相关产品的基础上，设计了一个多功能、低成本、可组态的气体流量计算机。
　　 本文主要内容如下:
　　 1、实现高精度压缩因子算法SGERG-88、AGA8-92DC的快速算法，并完成测试，达到计量要求;
　　 2、提出了基于内含矢量浮点单元VFP的S3C6410X微处理器Embedded Linux平台、总线互联、多插卡式流量计算机的硬件架构;
　　 3、研制了流量计算机的原理样机，包括CPU卡、底板、流量卡硬件设计和主体软件设计，并完成了样机的部分功能测试;
　　 4、完成基于Modbus/TCP、Modbus协议的设计，分配寄存器地址，实现通信协议。
　　 本文主要特色或创新点如下:
　　 1、选用国标《GB/T17747-2011天然气压缩因子的计算》中的AGA8-92DC和SGERG-88高精度压缩因子算法，压缩因子计算精度可达到±0.1％以上，但计算量很大;本文在保证精度的条件下，对算法进行优化，计算速度得到提高;
　　 2、应用S3C6410X中矢量浮点协处理器VFP11，进行压缩因子算法中双精度浮点数的硬件高速运算，计算速度提高约2倍，提高了流量计算机处理多通道采样数据时的实时性;
　　 3、多功能流量采集卡的设计。每张采集卡能够接收一个流量监测点上用于计算体积流量或热量计量所需的完整测量信号，包括温度、压力、各种流量计的输出信号以及色谱仪的成分输出信号;内含美国TI公司的16位低功耗微处理器MSP430F5438，具有独立计算能力，实现系统的多通道并行计算模式，提高系统实时性的同时，减轻主微处理器的计算负担。与目前国内外流量计算机采用按信号分类的输入卡比较，多功能流量卡可以简化上位机的配置软件，方便故障查询、隔离、故障时流量卡的更换,以及硬件冗余功能的实现;
　　 4、天然气热值的计量功能。流量计算机能根据各组分的浓度和已知组分的热焓值、体积流量等信号，完成天然气热量的计量功能，以满足天然气贸易计量由目前的体积计量万式向热值计量方式发展的趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 国家的能源战略

1．1．2 天然气的输运

1．1．3 天然气的计量现状

1．2 流量计算机发展现状

1．3 本文研究内容及意义

1．4 本文结构

第2章 气体计量及压缩因子算法

2．1 工况体积流量

2．2 标况体积流量

2．3 压缩因子的计算方法

2．3．1 AGA8-92DC

2．3．2 SGERG-88

2．3．3 AGANX-19

2．4 AGA8-92DC算法优化

2．5 天然气能量计量

2．5．1 天然气在标准参比条件下体积发热量计算

2．5．2 能量流量计算公式

2．5．3 能量计算实现方法

2．6 本章小结

第3章 硬件设计

3．1 功能需求

3．2 方案设计

3．3 CPU卡设计

3．3．1 主控芯片选型

3．3．2 存储模块

3．3．3 人机交互模块

3．3．4 通信模块电路

3．4 流量卡设计

3．4．1 流量卡组成

3．4．2 A/D转换模块

3．4．3 D/A转换模块

3．4．4 HART模块

3．5 底板

3．5．1 电源设计

3．5．2 总线设计

3．6 本章小结

第4章 软件设计

4．1 嵌入式软件介绍

4．1．1 嵌入式Linux系统

4．1．2 Qt简介

4．1．3 SQLite简介

4．1．4 Qwt图形库简介及其移植

4．2 交叉编译环境的搭建

4．3 Qt相关软件移植

4．3．1 移植Qt4．7．0

4．3．2 移植Qwt

4．3．3 qextserialport类移植

4．4 基于Qt应用程序开发

4．4．1 监控界面模块

4．4．2 网络编程模块

4．4．3 串口通信模块

4．4．4 数据库模块

4．4．5 算法模块

4．5 通信协议设计

4．5．1 Modbus协议编程实现

4．5．2 Modbus/TCP协议编程实现

4．6 流量卡软件设计

4．7 本章小结

第5章 样机测试

5．1 实物图

5．2 算法测试

5．2．1 AGA8-92DC测试

5．2．2 SGERG-88测试

5．2．3 AGA NX-19测试

5．2．4 算法测试比较

5．3 数据库测试

5．4 通信测试

5．5 流量卡信号测试

5．6 测试总结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文

致谢