摘要(yao)：基于浮子(zǐ)流量計
普(pǔ)遍流量方(fāng)程口及電(dian)容角位移(yi)式傳感器(qi)檢測機理(lǐ)的新型智(zhi)能金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計
,實現了(le)對流量的(de)正确測量(liàng)。本文詳細(xi)介紹該流(liu)量計計量(liang)❄️原理、轉換(huàn)器的設計(ji)、信号的智(zhì)能化處理(li)、樣機标定(ding)及誤差🙇🏻分(fèn)析。
1引言
流(liú)量的正确(què)測量在節(jie)能降耗、經(jing)濟核算、自(zi)動控制等(deng)方面有着(zhe)廣泛應用(yong)。在中低流(liú)速流量測(ce)量中浮🏃🏻子(zi)流量計起(qi)着非常🤩重(zhong)要🐇的作用(yong)。
目前國内(nei)金屬管浮(fú)子流量計(jì)的引進産(chan)品和國産(chan)産品中,理(li)論上主要(yào)依據w.Miler的研(yán)究成果甲(jiǎ),實際設計(ji)中又采用(yong)機械結構(gòu)進行流量(liang)計算,由此(ci)而存在三(sān)方面的不(bu)足,首💞先,理(lǐ)論上存在(zài)㊙️一定缺陷(xiàn);其次,是機(jī)械結構無(wú)法進行流(liu)量的正确(què)計量;第三(sān),必須根據(jù)被測介質(zhi)的密度、工(gong)況條件及(jí)流量範🌈圍(wéi)進行逐台(tái)設計制造(zào),給🐇生産廠(chang)和使用部(bu)門帶來不(bu)便。
2計量原(yuán)理與整機(ji)設計
2.1計量(liàng)原理
如圖(tú)1所示,浮子(zi)放于垂直(zhí)的錐形管(guǎn)道中,随着(zhe)流體速度(du)的變化而(er)上下移動(dòng)。浮子受重(zhong)力、浮力、迎(yíng)流壓差阻(zǔ)力及粘性(xìng)應力的作(zuò)用,當浮子(zǐ)在垂直方(fang)向上合力(lì)爲零時達(dá)到平衡狀(zhuang)态,浮子處(chù)于某一穩(wen)定的位置(zhì)。當來流速(su)度變化時(shi),浮子向下(xia)與向上的(de)作用☀️力達(dá)到一個新(xīn)的平衡狀(zhuàng)㊙️态,浮子又(you)處于一個(ge)新的穩定(ding)位置。
在針(zhēn)對浮子流(liu)量計理論(lùn)推導流量(liàng)公式的分(fen)析過程中(zhōng),本文既沒(méi)有采納早(zao)期的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推導(dǎo)成果,也沒(mei)有采納現(xiàn)今以W.Miler的研(yán)究成果[2爲(wèi)代表的流(liú)量公式,因(yīn)爲兩者都(dōu)是根據經(jing)典伯努力(li)方程推導(dǎo)得到的浮(fu)子截流壓(ya)差與流體(ti)連續方程(chéng)聯解,其中(zhōng),Whitwell和Plumb未考慮(lü)工作浮子(zǐ)受力平衡(heng)👈關系,因此(ci)未💋獲得既(ji)反映流體(ti)特性又反(fan)映浮子特(te)性的通用(yòng)流量方程(cheng);Miller雖然考慮(lü)了工作浮(fu)子受力平(píng)衡關系,但(dàn)在聯解推(tui)導中忽略(luè)了浮子自(zi)身高度的(de)影響，他推(tuī)出的流量(liàng)方程[43與經(jing)典類🌈比推(tui)理法中導(dao)得的方程(cheng)完全相同(tóng)。爲提高浮(fu)子流量計(jì)的測量精(jīng)度,本文依(yī)照李景鶴(hè)等1994年㊙️推導(dao)出的浮子(zǐ)流量計普(pǔ)遍流量方(fāng)程中設計(jì)出一❤️定流(liú)🈚量範圍的(de)金屬管浮(fu)子流量計(jì),并通過第(di)5部分的實(shí)際樣💰機标(biāo)定進--步證(zhèng)實了該方(fāng)程🈲的💛科學(xue)性。該流量(liang)方程适用(yong)于氣體和(he)液體的測(ce)🌈量,同時又(you)适用于不(bu)同形狀的(de)浮子,公式(shì)爲:
式中Qv一(yī)體積流量(liàng)(m/s)
α一流量系(xi)數
DD一标尺(chi)零點處錐(zhui)形管直徑(jìng)
h一浮子高(gao)度位置
φ一(yī)錐形管錐(zhui)半角
Vf一浮(fu)子體積
ρf一(yī)浮子材料(liào)密度
ρ一流(liú)體密度
Sf一(yī)浮子垂直(zhí)于流向的(de)最大截面(mian)積
β一浮子(zǐ)形狀因子(zi)
β定義爲:
β=△hSf/V,(2)
式(shi)中△h一浮子(zi)節流幾何(hé)高度
可見(jiàn),幾何相似(sì)的浮子,β值(zhi)相同。
分析(xī)(1)式可知,對(duì)某--特定結(jié)構的浮子(zi)流量計，即(jí)錐管的錐(zhui)度與浮❤️子(zi)形狀一定(ding),浮子的流(liu)量Qv與浮子(zǐ)高度h之間(jiān)爲非線性(xing)關系。早期(qi)的浮子流(liu)量計用減(jiǎn)小錐度的(de)方法來降(jiang)低二次項(xiàng)的影響，要(yào)達到一定(dìng)的流♍量測(ce)量量程必(bi)需延🏒長錐(zhui)管的長度(dù),從而導緻(zhi)加工✉️困難(nán)及安裝不(bú)便,目前通(tong)行的金屬(shǔ)管♻️浮子流(liu)量計總高(gao)度趨向于(yú)250mm,錐管高度(du)爲60~70mm,二次項(xiang)引入的非(fēi)線性已不(bu)可忽略，采(cai)用某種方(fang)法的非線(xian)性機械結(jié)構進行流(liú)量運算顯(xian)然不🔴可能(néng)具有精度(du)高的計算(suàn)結果。本文(wén)用計算機(jī)計算流量(liang),極大地提(tí)高了計算(suan)💚精度💋,同時(shí)提供良好(hǎo)的人機界(jiè)面。
2.2整機結(jié)構設計
電(diàn)容角位移(yí)式金屬管(guǎn)浮子流量(liang)計測量原(yuan)理圖示于(yu)圖2,由傳🤟感(gǎn)器、轉換器(qi)、智能信号(hao)處理器三(san)部分組成(cheng)。由于浮子(zǐ)内嵌磁鋼(gāng),當☎️浮子.上(shang)下移動時(shí)，磁鋼同時(shí).上下移動(dong),與錐管外(wài)一端嵌有(you)小磁鋼的(de)機械連杆(gan)機構形成(chéng)内外磁鋼(gāng)磁路耦合(he),内磁鋼的(de)運動将引(yǐn)起外磁鋼(gāng)的位移,從(cong)而引起連(lián)杆轉💚動一(yi)定角度✔️0,将(jiang)浮子直線(xiàn)位🧡移轉換(huan)成角度🌈的(de)位移,本文(wen)利用電容(rong)角位移傳(chuán)感器将角(jiao)度的變化(huà)轉換爲電(diàn)容量值C的(de)🍉變化,再經(jīng)信号處理(lǐ)電路将電(diàn)容值的變(biàn)化轉化爲(wei)電壓信✂️号(hào)Vout最終使檢(jian)🈲測電路的(de)輸出信号(hao)幅值反🆚映(ying)流體瞬時(shi)流量的大(da)小,有:
轉換(huan)器爲一端(duan)嵌有磁鋼(gāng)的機械連(lián)杆機構和(hé)電容角位(wèi)移式⛱️傳感(gan)器組成,智(zhi)能信号處(chu)理器由單(dān)片機🐇及外(wài)圍電路組(zu)成。
3轉換器(qì)的設計
3.1角(jiǎo)位移敏感(gan)元件設計(jì)
本文給出(chū)一種具有(yǒu)較好魯棒(bàng)性的精度(du)高的電容(róng)角.位移傳(chuán)感器。遵從(cong)以下設計(ji)方法,使得(de)傳統的電(dian)容式角位(wei)移傳💃🏻感器(qì)🔞的拓☁️撲結(jie)構及測量(liàng)原理發生(shēng)根本性轉(zhuan)變。
1)因正弦(xian)激勵複雜(za)，價格昂貴(gui),因此去除(chú)傳統電容(róng)式角位移(yi)傳感器所(suǒ)需的正弦(xián)激勵電壓(ya),采用方波(bō)脈沖激勵(li)，從而避免(mian)了諧波幹(gan)擾,放大不(bú)匹配及相(xiàng)誤差;
2)爲盡(jìn)可能完全(quan)實現電磁(ci)屏蔽功能(néng),傳感器有(you)效面積💞周(zhou)👅圍設有保(bǎo)護環和保(bǎo)護面與傳(chuan)感器地連(lian)接。圖3爲電(diàn)☁️容敏感元(yuan)件拓撲結(jie)🐪構示意圖(tú)。主要由3個(gè)同.軸🈚且彼(bi)此平行的(de)極闆組成(chéng):
●作爲接收(shou)極的固定(ding)且爲一整(zhěng)體的導電(diàn)圓盤極闆(pan)4;
●作爲轉動(dong)極的金屬(shǔ)分瓣極闆(pǎn)5;
●作爲發射(shè)極的固定(ding)分瓣式導(dǎo)電圓盤極(ji)闆6。
這3個極(ji)闆中心通(tōng)過轉軸1,轉(zhuan)軸裝有兩(liǎng)個滾動軸(zhou)承，裝配時(shí)😘,保證動極(jí)闆和轉軸(zhou)一起轉動(dong),4.5.6相對間隙(xì)應㊙️盡可能(néng)小。将發射(shè)極闆分割(gē)成面積相(xiang)等但彼此(cǐ)間電氣隔(ge)離的8個可(ke)作爲發射(she)極的單元(yuan)s1~s8,每瓣近似(si)爲♉45°,相鄰兩(liǎng)片♋間隙盡(jin)可能小,以(yi)獲得較大(da)的電容量(liang);接❓收極闆(pǎn)接收來自(zì)發射極闆(pan)的感生電(dian)🥵荷,設計中(zhong)，發射與接(jie)收極闆内(nei)部和外部(bu)都✊有接地(dì)保護環,以(yǐ)屏蔽電磁(cí)幹擾,如圖(tu)2中2、3所示;轉(zhuǎn)動極闆由(yóu)4個角度相(xiàng)同(45°)間隔相(xiang)同(45°)的金屬(shǔ)葉片組成(cheng)。動極闆葉(ye)🧡片轉動的(de)角度θ決定(dìng)了💚發射極(jí)闆接收極(ji)闆之間8個(ge)電容值及(jí)相應感生(sheng)電荷的大(da)小。即在一(yi)定激勵脈(mò)沖信号模(mó):式🌏的作用(yòng)下發🍉射極(jí)闆和接收(shōu)極闆之間(jian)産生電容(rong)。
根據設計(jì)需要,浮子(zǐ)行程決定(ding)機械連杆(gǎn)的實際轉(zhuan)角θ相對變(biàn)化範圍約(yue)爲30°,因此，考(kao)慮電場的(de)邊緣效應(yīng),設計時應(ying)有一定冗(rǒng)餘,故将電(dian)容敏感元(yuan)件設計成(cheng)能夠對45°的(de)絕對角位(wei)移👌進行檢(jiǎn)測即可。同(tong)時爲提高(gāo)檢測幅值(zhí),将s1.s3、s5、s7電氣連(lian)接,s2、s4、s6、s8電氣連(lian)接,檢測幅(fu)🌐值提高4倍(bei)。本文研制(zhì)的角位移(yí)傳感器的(de)機械連杆(gan)轉角(約30°)小(xiǎo)于45°,若僅在(zai)s1.s3、s5、s7施加激勵(li)電壓,則45°内(nèi)極闆間電(dian)容模型如(ru)圖4所示，360°内(nèi)等效計算(suan)模型可簡(jiǎn)化爲圖5。
3.2信(xìn)号處理
分(fèn)析電容等(děng)效電路可(ke)知,簡化計(jì)算模型實(shi)際上忽♌略(lue)了電場👣的(de)邊緣效應(yīng),故通過(4)式(shi)簡化計算(suàn)的電容值(zhí)與真實值(zhi)應有一定(ding)誤差。本文(wen)采用電容(rong)測量電路(lù)對其🈲電容(róng)實際值進(jìn)行檢測。圖(tu)6爲信号處(chù)理部分原(yuan)理框圖。傳(chuan)感器電😍子(zǐ)線路前端(duan)爲一電荷(he)檢測器,以(yǐ)降低電路(lù)對高頻信(xìn)号的靈敏(min)度,同時提(ti)高了對✂️電(diàn)磁場幹擾(rao)的适應能(néng)力。因被測(cè)電容量值(zhí)很💃🏻小,隻有(you)13pF左右,故采(cai)取充放電(dian)法測量電(diàn)容，與傳統(tǒng)方法不同(tóng),本文采用(yong)的是一種(zhǒng)抗寄生幹(gan)擾的微小(xiao)電容測量(liàng)電路。
4智能(neng)化設計
4.1流(liu)量計算與(yu)刻度換算(suàn)
前已提及(jí)公式(1)中流(liu)量Q與浮子(zǐ)高度h間存(cun)在非線性(xing)關系;另外(wài),如被測介(jiè)質密度、溫(wēn)度、壓力與(yǔ)标定介質(zhi)不同,浮子(zi)處于同一(yi)高度時,所(suo)反映出的(de)流量值并(bing)不相同🔆,爲(wèi)提高計算(suàn)精度及自(zì)動完成✨刻(ke)度換算,引(yin)入計算機(jī)技術,改變(bian)了傳統的(de)金屬管浮(fú)子流量計(ji)必須根據(ju)被測介質(zhì)的密度進(jin)行逐台設(she)計制造,或(huo)在量程範(fàn)圍滿足工(gong)況條件時(shí),現場通過(guò)人工方法(fǎ)🈲進行刻度(du)換算的狀(zhuang)況，智能化(huà)水平得到(dao)較大提高(gāo)。
理論.上液(ye)體與氣體(tǐ)流量測量(liang)的密度修(xiū)正公式分(fen)别如❌下:
4.1.1液(ye)體流量的(de)修正公式(shì)可由流量(liang)方程(1)導出(chu)被
測液體(ti)密度不同(tóng)于标定水(shuǐ)時的流量(liàng)修正公式(shì):
4.2硬件設計(jì)
智能信号(hao)處理器的(de)硬件原理(li)如圖7所示(shi),其核心部(bu)件爲美國(guó)某公司的(de)PIC單片機,其(qi)内部集成(chéng)了ROM、RAM、定時器(qì)💔、數據采集(ji)器、看門狗(gou)🈲電路、上電(diàn)複位電路(lù),可節省大(dà)量外圍電(diàn)路。
4.3軟件設(shè)計
軟件設(she)計流程如(ru)圖8所示。可(kě)實現雙排(pai)8位LCD同時顯(xian)示㊙️累積💋流(liu)量和瞬時(shí)流量;通過(guo)儀表界面(miàn)3個按鍵可(kě)将标定曲(qu)線❌系數、小(xiao)數位數、被(bèi)測介質的(de)密度、溫度(dù)、壓力、壓縮(suo)系數等工(gong)況參數直(zhí)接置入單(dan)片機,自動(dòng)完成刻度(dù)換算,實現(xiàn)流量的正(zhèng)确測量,給(gei)不同要求(qiú)用♉戶的使(shǐ)用帶來極(jí)大方便,無(wú)需逐台設(shè)☁️計制造,與(yǔ)國際同類(lèi)研究成果(guǒ)相比較,顯(xian)示出更強(qiáng)的智能化(hua)水平。
5樣機(jī)标定
PIC單片(piàn)機與錐管(guǎn)中内嵌磁(cí)鋼的浮子(zi)、電容角位(wei)移傳感器(qi)、硬件信♊号(hao)處理電路(lu)相配合構(gou)成3台(15mm、50mm、80mm口徑(jìng))電容角位(wèi)🔱移式金屬(shǔ)管浮子流(liu)量計樣機(jī)。該樣機在(zai)如圖9所示(shi)的🛀🏻實驗标(biao)定裝置上(shàng)進行标定(dìng)，高位水塔(ta)高36m,實現穩(wěn)定水壓，以(yǐ)保持📞流量(liàng)恒定。标準(zhǔn)表選擇電(diàn)磁流量計(ji),誤差爲0.2%。标(biāo)定步驟:
1)利(li)用彙編語(yu)言設計浮(fu)子流量計(jì)專用标定(dìng)軟件。标定(dìng)點6點⭐,每點(dian)3次,正反行(háng)程各5次,記(jì)錄樣機瞬(shùn)時電壓采(cǎi)樣值(V/s)與标(biāo)準表瞬時(shí)流量值(m³/h),對(dui)6個标定點(dian)處的平均(jun1)值樣本進(jìn)行3階拟合(he),得到V/s-m³/h的函(han)數關系(4),即(ji)Q=Q(Vout),通式爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将(jiang)第一步得(dé)到的函數(shu)關系寫入(rù)單片機中(zhōng),使得樣機(jī).顯🈲示輸出(chu)☎️爲瞬時流(liú)量m³/h和累計(jì)流量m3,再次(cì)标定,标定(ding)點6點,正反(fan)行程各🌂作(zuo)3次,對比樣(yang)機與标準(zhun)表的瞬時(shi)流量,分析(xī)樣機誤差(cha),标定數據(jù)見表1。 15mm、50mm、80mm口徑(jing)的樣機标(biao)定時，其流(liu)量範圍分(fen)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程(chéng)比爲10:1。
滿度(dù)相對誤差(chà)計算公式(shì)爲:
6結論
電(diàn)容角位移(yi)式智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計研(yan)究結果表(biǎo)明:
本文依(yī)據李景鶴(hè)等推導出(chu)的浮子流(liú)量計普遍(biàn)流量方🌍程(cheng),适♌用于氣(qì)體、液體測(cè)量,并兼顧(gu)浮子形狀(zhuang)影響,從而(ér)爲本文🥰研(yán)究般溪子(zǐ)流量計測(cè)量精度的(de)提高提供(gong)了理論保(bao)障;
無需根(gen)據被測介(jiè)質的密度(dù)、使用工況(kuàng)條件和流(liu)量範圍進(jìn)行逐台設(shè)計制造,将(jiāng)給生産廠(chǎng)商和使用(yong)部門帶來(lai)極大的方(fang)便;
改變了(le)國内金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計引進(jin)産品和國(guó)産産品🔴中(zhong)因采💔用機(ji)械結構進(jin)行流量計(jì)算而導緻(zhì)精度較🙇♀️低(di)的🈲狀況;
用(yong)電容角位(wèi)移式傳感(gan)器測量浮(fú)子位移,配(pèi)合PIC單片⭕機(jī)組成的新(xin)型智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計,運(yun)用實驗标(biāo)定數據的(de)方法得🏒到(dào)該流量計(ji)瞬時流量(liang)的精度💯爲(wei)1級,通過對(duì)這3種口徑(jìng)的樣機連(lián)續運行數(shù)月後重新(xin)标定,精度(dù)并未發生(sheng)變化,證實(shí)了該儀表(biǎo)的可靠性(xìng)。
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