摘(zhāi)要：基于(yú)浮子流(liu)量計
普(pǔ)遍流量(liang)方程口(kǒu)及電容(rong)角位移(yí)式傳感(gan)器檢測(cè)機📧理的(de)新型智(zhì)能金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)
,實現了(le)對流量(liang)的正确(que)測量。本(běn)文詳細(xì)介紹該(gai)流量計(jì)計🐆量原(yuán)理、轉換(huàn)器的設(she)計、信号(hao)的智能(néng)化處理(lǐ)、樣機标(biao)定及誤(wu)差分析(xī)。
1引言
流(liu)量的正(zheng)确測量(liàng)在節能(néng)降耗、經(jing)濟核算(suan)、自動控(kong)制等方(fāng)🏃🏻♂️面有着(zhe)廣泛應(yīng)用。在中(zhong)低流速(sù)流量測(cè)量中浮(fu)子流量(liàng)計起着(zhe)非常重(zhong)要的作(zuo)用。
目前(qian)國内金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計的引(yǐn)進産品(pǐn)和國産(chǎn)産品中(zhong),理論🛀上(shàng)主要依(yī)據w.Miler的研(yán)究成果(guǒ)甲,實際(ji)設計中(zhōng)又采用(yòng)機械結(jié)構進行(hang)流量計(jì)算,由此(cǐ)而存在(zai)三方面(miàn)的不足(zú),首先,理(lǐ)論上存(cún)在一定(dìng)缺☀️陷;其(qi)次,是機(jī)械結構(gòu)無法進(jìn)行流量(liàng)的正确(que)計量;第(di)三,必須(xū)根據被(bei)測介質(zhi)的🌍密度(dù)、工況條(tiao)件及流(liu)量範💛圍(wéi)進行逐(zhú)台設計(jì)制造,給(gei)生産廠(chang)和使用(yòng)部門帶(dai)來不便(bian)。
2計量原(yuán)理與整(zheng)機設計(ji)
2.1計量原(yuan)理
如圖(tu)1所示,浮(fu)子放于(yú)垂直的(de)錐形管(guǎn)道中,随(suí)着流體(ti)速度的(de)♋變化而(er)上下移(yi)動。浮子(zi)受重力(lì)、浮力、迎(yíng)流壓差(chà)阻力及(ji)粘性🏃應(yīng)力的作(zuò)用,當浮(fu)子在垂(chui)直方向(xiàng)上合力(li)爲👅零時(shi)達到平(píng)衡🌈狀态(tai),浮⭐子處(chù)于某一(yī)穩定的(de)位置。當(dang)來流速(su)度變😄化(huà)時,浮子(zi)⭐向下與(yǔ)向上的(de)作用力(lì)達到一(yi)個新的(de)平衡狀(zhuàng)态,浮子(zi)又處于(yu)一個新(xin)的穩定(dìng)位置。
在(zai)針對浮(fu)子流量(liàng)計理論(lun)推導流(liú)量公式(shi)的分析(xī)過程中(zhōng),本🧑🏽🤝🧑🏻文既(ji)沒有采(cǎi)納早期(qi)的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推(tuī)導成果(guo),也沒有(yǒu)采納現(xiàn)今以W.Miler的(de)研究成(chéng)果[2爲代(dai)表的流(liu)量公式(shi),因爲兩(liǎng)者都是(shi)根據✌️經(jing)典伯努(nǔ)力方程(cheng)推導得(de)到的浮(fu)子截流(liú)壓差與(yu)⛱️流體連(lián)續方程(chéng)聯解,其(qi)中,Whitwell和Plumb未(wei)考慮工(gōng)作浮子(zǐ)受力平(píng)衡關系(xi),因此未(wei)獲得既(ji)反映📱流(liú)體特性(xing)又反映(ying)浮子特(tè)性的通(tong)用流量(liang)方程🔴;Miller雖(sui)然考慮(lü)了工作(zuo)浮子受(shou)力平衡(héng)關系,但(dàn)在聯解(jiě)推導中(zhong)忽略了(le)浮子自(zì)身高度(du)的影響(xiǎng)，他推出(chu)的流量(liang)方程[43與(yǔ)經典類(lei)比推理(lǐ)法中❌導(dǎo)得的方(fāng)程完全(quán)相同💞。爲(wei)提高浮(fú)子流量(liàng)計的測(cè)量精度(du),本文依(yi)照李景(jǐng)鶴等1994年(nián)推導出(chu)的浮子(zi)流量計(jì)普遍流(liú)量方程(cheng)中設計(ji)出一定(dìng)流量範(fan)圍的金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計,并通(tōng)過第5部(bu)分✨的實(shi)際樣機(ji)标定進(jìn)--步證實(shí)了該方(fāng)程的科(ke)學性。該(gai)流量方(fāng)程适用(yòng)于氣體(ti)和液體(ti)的測量(liang),同時又(you)适用🎯于(yú)不同形(xing)狀的浮(fú)子,公式(shì)爲:
式中(zhong)Qv一體積(ji)流量(m/s)
α一(yī)流量系(xì)數
DD一标(biao)尺零點(diǎn)處錐形(xing)管直徑(jing)
h一浮子(zi)高度位(wei)置
φ一錐(zhui)形管錐(zhui)半角
Vf一(yi)浮子體(ti)積
ρf一浮(fu)子材料(liào)密度
ρ一(yi)流體密(mi)度
Sf一浮(fu)子垂直(zhi)于流向(xiang)的最大(dà)截面積(ji)
β一浮子(zǐ)形狀因(yin)子
β定義(yì)爲:
β=△hSf/V,(2)
式中(zhōng)△h一浮子(zi)節流幾(jǐ)何高度(dù)
可見,幾(ji)何相似(si)的浮子(zi),β值相同(tóng)。
分析(1)式(shi)可知,對(duì)某--特定(ding)結構的(de)浮子流(liú)量計，即(ji)錐管的(de)錐度與(yu)浮子形(xíng)狀一定(ding),浮子的(de)流量Qv與(yǔ)浮子高(gāo)度h之間(jian)爲非線(xian)性關系(xi)。早期的(de)浮子流(liu)量計用(yòng)減小錐(zhuī)度的方(fāng)法來降(jiàng)低二次(cì)項的影(ying)響，要達(dá)到一定(ding)的流量(liang)測量量(liàng)程必需(xū)延長錐(zhui)管的長(zhǎng)度,從而(er)導緻加(jiā)工困難(nan)及安裝(zhuāng)☁️不便,目(mu)前通行(háng)的金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)❄️總高度(du)趨向于(yú)250mm,錐管高(gāo)度爲60~70mm,二(er)次項引(yǐn)入的非(fēi)線性已(yǐ)不可忽(hū)🔞略，采用(yong)某種方(fāng)法的非(fei)線性機(jī)械結構(gòu)進行流(liu)量運算(suan)顯然不(bu)可能具(jù)有精度(dù)高的計(ji)算結果(guǒ)。本文用(yòng)計算機(jī)計算流(liú)💰量,極大(dà)地提高(gāo)了計算(suàn)精度🔞,同(tong)時提供(gòng)良好的(de)📞人機界(jie)🆚面。
2.2整機(jī)結構設(shè)計
電容(rong)角位移(yi)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)測量原(yuan)理圖示(shi)于圖2,由(you)傳感器(qì)、轉換器(qi)、智能信(xin)号處理(lǐ)器三部(bu)分組🥵成(cheng)。由于浮(fú)子内🌏嵌(qiàn)磁鋼,當(dang)浮子.上(shang)下移動(dong)時，磁鋼(gang)同時.上(shàng)下移動(dong),與錐管(guan)外一端(duān)嵌有小(xiǎo)磁鋼的(de)機械連(lian)杆機構(gou)形成内(nèi)外磁鋼(gang)磁路耦(ǒu)合,内磁(cí)鋼的運(yun)動将引(yǐn)起外磁(cí)鋼的位(wei)移,從而(er)引起連(lián)杆轉動(dòng)一定角(jiǎo)度0,将浮(fú)子直線(xian)位移轉(zhuǎn)換成角(jiǎo)度的位(wèi)移,本文(wen)利✉️用電(diàn)🈲容角位(wèi)移傳感(gǎn)器将角(jiǎo)度的變(bian)化轉換(huan)爲電容(rong)量值C的(de)變化,再(zài)經信号(hào)處理電(diàn)路将電(diàn)容值的(de)變化轉(zhuan)化爲電(dian)壓信号(hào)Vout最終使(shi)檢測電(diàn)路的輸(shū)出信号(hao)幅值反(fǎn)🌈映流體(ti)瞬時流(liu)量的大(da)小,有:
轉(zhuǎn)換器爲(wei)一端嵌(qian)有磁鋼(gang)的機械(xie)連杆機(jī)構和電(dian)容角位(wèi)移式傳(chuan)感器組(zu)成,智能(néng)信号處(chù)理器由(you)單片機(ji)🧡及外圍(wei)電路組(zǔ)成。
3轉換(huàn)器的設(she)計
3.1角位(wei)移敏感(gan)元件設(shè)計
本文(wen)給出一(yī)種具有(yǒu)較好魯(lu)棒性的(de)精度高(gao)的電容(róng)🔱角.位移(yí)傳感器(qi)。遵從以(yǐ)下設計(ji)方法,使(shi)得傳統(tong)的電容(róng)式角位(wei)移傳感(gan)器的拓(tuo)撲結構(gòu)及測量(liàng)原理發(fa)生根本(ben)性轉變(biàn)。
1)因正弦(xian)激勵複(fú)雜，價格(ge)昂貴,因(yin)此去除(chu)傳統電(dian)容式角(jiǎo)位移傳(chuan)感🥰器所(suǒ)需的正(zheng)弦激勵(li)電壓,采(cǎi)用方波(bō)脈沖激(jī)勵，從而(er)避🏃🏻♂️免了(le)💛諧波幹(gan)擾,放大(dà)不匹配(pèi)及相誤(wù)差;
2)爲盡(jin)可能完(wan)全實現(xian)電磁屏(píng)蔽功能(neng),傳感器(qì)有效面(mian)積❌周圍(wéi)設有保(bǎo)護環和(hé)保護面(mian)與傳感(gan)器地連(lián)接。圖3爲(wèi)電容敏(min)感元件(jian)拓撲結(jié)構示意(yi)圖。主要(yao)由3個同(tong).軸且彼(bǐ)此😘平行(háng)的🔞極闆(pǎn)組成:
●作(zuo)爲接收(shou)極的固(gù)定且爲(wei)一整體(tǐ)的導電(dian)圓盤極(jí)闆♊4;
●作爲(wei)轉動極(jí)的金屬(shǔ)分瓣極(ji)闆5;
●作爲(wei)發射極(ji)的固定(ding)分瓣式(shì)導電圓(yuán)盤極闆(pan)6。
這3個極(ji)闆中心(xin)通過轉(zhuan)軸1,轉軸(zhóu)裝有兩(liang)個滾動(dòng)軸承，裝(zhuang)配時,保(bǎo)證動極(ji)闆和轉(zhuan)軸一起(qǐ)轉動,4.5.6相(xiang)對間隙(xi)應盡可(kě)能小。将(jiāng)發射極(ji)闆分割(ge)成面積(jī)相等但(dan)彼此間(jiān)電氣隔(ge)離的8個(gè)🔞可作爲(wèi)發射極(ji)的單元(yuan)s1~s8,每瓣近(jìn)似爲45°,相(xiang)鄰兩片(pian)間隙盡(jìn)可能小(xiao),以獲得(dé)較大的(de)電容量(liang);接收極(jí)闆接收(shou)來自發(fā)射極闆(pǎn)的感生(shēng)電荷,設(shè)計中，發(fā)射與接(jiē)收極闆(pan)✌️内部和(he)外部都(dōu)有接地(dì)保護環(huan)👣,以屏蔽(bì)電磁幹(gàn)擾,如圖(tu)2中2、3所示(shì);轉動極(ji)闆由4個(ge)角度相(xiang)同(45°)間隔(gé)相同(45°)的(de)金屬葉(ye)片組成(cheng)。動極闆(pan)葉片轉(zhuan)動的角(jiǎo)🏃🏻♂️度θ決定(ding)了發射(she)極闆接(jiē)收極闆(pan)之間8個(gè)電容值(zhí)及相🔴應(ying)感生電(dian)荷的大(da)小。即在(zài)一定激(jī)勵脈沖(chong)信号模(mo):式的作(zuo)用下發(fa)射極闆(pǎn)和接收(shōu)🍓極闆之(zhi)間産生(shēng)電容。
根(gēn)據設計(jì)需要,浮(fu)子行程(cheng)決定機(jī)械連杆(gan)的實際(jì)轉角🏃♂️θ相(xiàng)對變化(huà)範圍約(yuē)爲30°,因此(ci)，考慮電(dian)場的邊(bian)緣效應(ying),設計時(shi)應有一(yī)定冗餘(yu),故将電(dian)容敏感(gan)元件設(shè)計成能(néng)夠對45°的(de)絕對✊角(jiǎo)位移📱進(jin)行檢測(ce)即可。同(tóng)時爲提(ti)高檢測(cè)幅值♉,将(jiang)s1.s3、s5、s7電氣連(lián)接,s2、s4、s6、s8電氣(qi)連接,檢(jian)測幅值(zhi)提高4倍(bèi)🔆。本文研(yán)制的角(jiao)位移傳(chuán)感🈲器的(de)機械連(lián)杆轉角(jiao)(約30°)小💁于(yú)45°,若僅在(zai)s1.s3、s5、s7施加激(jī)勵電壓(yā),則45°内極(ji)闆間電(diàn)容模型(xing)如✍️圖4所(suǒ)示，360°内🔴等(deng)效計算(suàn)模型可(ke)簡化爲(wèi)圖5。
3.2信号(hao)處理
分(fen)析電容(rong)等效電(diàn)路可知(zhi),簡化計(jì)算模型(xíng)實際上(shang)忽略了(le)電👈場的(de)邊緣效(xiào)應,故通(tong)過(4)式簡(jian)化計算(suan)的電容(róng)值與真(zhen)實值應(ying)有一定(dìng)誤差。本(ben)文采用(yòng)電容測(cè)量電路(lu)對其電(diàn)容實際(ji)值進行(háng)檢測。圖(tú)6爲信☁️号(hào)處理部(bu)分🈲原理(lǐ)框圖🏃。傳(chuán)感器電(dian)子線路(lu)前端爲(wei)一電♌荷(hé)檢測器(qi)💃🏻,以降低(di)電路對(duì)高頻信(xin)号的靈(líng)敏度,同(tong)♊時提高(gāo)了對📱電(diàn)磁場幹(gàn)擾的适(shi)應能力(lì)。因被測(ce)電容量(liang)值很🚩小(xiǎo),隻有13pF左(zuǒ)右,故采(cai)取充放(fang)電法🤞測(cè)量電容(rong)，與傳統(tong)方法不(bu)同😘,本文(wén)采用的(de)是一🔱種(zhǒng)抗寄生(sheng)幹擾的(de)微🈲小電(dian)容測量(liàng)電路。
4智(zhi)能化設(she)計
4.1流量(liàng)計算與(yǔ)刻度換(huan)算
前已(yǐ)提及公(gong)式(1)中流(liu)量Q與浮(fu)子高度(du)h間存在(zài)非線性(xìng)關系;另(lìng)🧑🏽🤝🧑🏻外,如被(bei)測介質(zhì)密度、溫(wen)度、壓力(li)與标定(ding)介質⛷️不(bu)同,浮子(zǐ)處于同(tóng)一高度(dù)時,所反(fǎn)映出的(de)流量值(zhi)并不相(xiang)同,爲提(ti)高計算(suan)精度及(ji)自動完(wan)成刻度(du)換算,引(yin)入計算(suàn)機技術(shu),改變了(le)傳統的(de)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計必(bi)須根據(jù)被測介(jie)質的密(mì)度進行(hang)逐台🈲設(she)計制造(zao),或在量(liàng)程範圍(wei)滿足工(gong)況條件(jiàn)時,現場(chǎng)通過人(rén)工方法(fa)進行刻(kè)度換算(suàn)的狀況(kuàng)，智✏️能化(huà)水平得(dé)到較大(da)提高。
理(li)論.上液(ye)體與氣(qì)體流量(liang)測量的(de)密度修(xiu)正公式(shi)分🔱别🈲如(ru)下♌:
4.1.1液體(ti)流量的(de)修正公(gōng)式可由(you)流量方(fang)程(1)導出(chu)被
測液(ye)體密度(dù)不同于(yu)标定水(shui)時的流(liú)量修正(zheng)公式:
4.2硬(ying)件設計(ji)
智能信(xin)号處理(lǐ)器的硬(ying)件原理(li)如圖7所(suo)示,其核(he)心部件(jiàn)爲美國(guó)🤞某㊙️公司(si)的PIC單片(piàn)機,其内(nèi)部集成(chéng)了ROM、RAM、定時(shí)器、數據(ju)采集器(qì)、看門狗(gǒu)電路✊、上(shàng)電複位(wèi)電路,可(ke)節省大(dà)量外圍(wei)🚶♀️電路。
4.3軟(ruan)件設計(jì)
軟件設(shè)計流程(cheng)如圖8所(suo)示。可實(shi)現雙排(pái)8位LCD同時(shí)顯示累(lei)積流量(liàng)和瞬時(shí)流量;通(tong)過儀表(biao)界面3個(ge)按鍵可(ke)将标定(dìng)曲線系(xi)數、小數(shu)位數🌈、被(bei)測介質(zhi)的密度(dù)、溫度、壓(ya)力、壓縮(suō)系數等(deng)工況參(cān)🐪數直接(jiē)置入單(dan)片機,自(zi)動完成(chéng)刻度換(huan)算,實現(xiàn)流量的(de)正确測(cè)量,給不(bú)同要求(qiú)用戶的(de)使用帶(dài)❄️來極大(dà)方便,無(wú)需逐台(tái)設計制(zhi)造,與國(guó)際同類(lèi)研究🈲成(chéng)果相比(bǐ)較,顯示(shì)出更強(qiang)的智能(néng)化水平(ping)。
5樣機标(biāo)定
PIC單片(pian)機與錐(zhuī)管中内(nei)嵌磁鋼(gāng)的浮子(zǐ)、電容角(jiǎo)位移傳(chuán)感🐪器、硬(ying)件信号(hao)處理電(diàn)路相配(pei)合構成(chéng)3台(15mm、50mm、80mm口徑(jing))電容角(jiao)位移式(shi)👌金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計樣(yàng)機。該樣(yàng)機在如(ru)圖9所示(shì)的😄實驗(yan)标㊙️定裝(zhuang)置上進(jin)行标定(dìng)，高位水(shuǐ)塔高36m,實(shi)現穩定(dìng)水⛱️壓，以(yi)保持流(liu)量恒定(dìng)。标準表(biǎo)選擇電(dian)磁流量(liàng)計,誤差(cha)爲🈚0.2%。标定(dìng)步驟:
1)利(li)用彙編(bian)語言設(shè)計浮子(zi)流量計(jì)專用标(biao)定軟件(jian)。标定點(diǎn)6點,每點(dian)3次,正反(fan)行程各(ge)5次,記錄(lù)樣機瞬(shùn)時電壓(yā)🍓采樣值(zhi)(V/s)與标準(zhǔn)表瞬時(shi)流量值(zhi)(m³/h),對6個标(biao)定點處(chù)的平🐇均(jun)值樣♌本(ben)進行3階(jiē)拟合,得(de)到V/s-m³/h的函(hán)數關🔞系(xi)(4),即Q=Q(Vout),通式(shì)爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将第(di)一步得(dé)到的函(han)數關系(xì)寫入單(dan)片機中(zhong),使得樣(yàng)機.顯示(shi)輸出爲(wèi)瞬時流(liu)量m³/h和累(lei)計流量(liang)m3,再次标(biao)定,标定(dìng)點6點,正(zhèng)反行程(chéng)各作3次(cì),對比樣(yang)機與标(biāo)準表的(de)瞬時流(liu)量,分析(xi)樣機誤(wu)差,标定(dìng)數據見(jiàn)表1。 15mm、50mm、80mm口徑(jìng)的樣機(jī)标定時(shí)，其流量(liang)範圍🎯分(fen)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量(liang)程比爲(wei)10:1。
滿度相(xiang)對誤差(cha)計算公(gōng)式爲:
6結(jie)論
電容(rong)角位移(yi)式智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liu)量計研(yán)究結果(guo)表☔明:
本(běn)文依據(ju)李景鶴(he)等推導(dǎo)出的浮(fú)子流量(liàng)計普遍(bian)流量方(fang)🌏程,适用(yong)于氣體(ti)、液體測(cè)量,并兼(jian)顧浮子(zǐ)形狀影(ying)響,從而(er)爲本文(wén)研究般(bān)溪♉子流(liú)量計測(ce)量精度(du)的提高(gao)提供了(le)理論保(bao)障;
無需(xū)根據被(bei)測介質(zhi)的密度(dù)、使用工(gong)況條件(jiàn)和流量(liàng)範⭕圍✍️進(jìn)行🙇♀️逐台(tai)設計制(zhì)造,将給(gěi)生産廠(chang)商和使(shi)用部門(mén)帶來極(ji)大的方(fāng)便;
改變(bian)了國内(nei)金屬管(guan)浮子流(liu)量計引(yǐn)進産品(pin)和國産(chan)産品中(zhōng)因采用(yòng)機械結(jié)構進行(hang)流量計(ji)算而導(dǎo)緻精度(dù)較🆚低的(de)㊙️狀況;
用(yong)電容角(jiǎo)位移式(shì)傳感器(qi)測量浮(fú)子位移(yi),配合PIC單(dan)片機組(zu)成的新(xīn)型智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計,運(yun)用實驗(yan)🏃🏻标定☁️數(shù)據的方(fang)法得到(dao)該流量(liang)計瞬時(shi)流量的(de)精度⚽爲(wèi)1級,通過(guo)對這🏃♂️3種(zhǒng)口徑的(de)樣機💃連(lian)續運行(hang)數月後(hou)重🔅新标(biao)定,精度(du)并未發(fa)生變化(huà),證實了(le)該儀表(biao)的可靠(kào)性。
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