摘要：基于浮子流量計(jì)普遍流量方程口及電容角位移式傳感器檢測機(jī)理的新型智能金屬管浮子流量計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量的正確測量。本文詳細(xì)介紹該流量計(jì)計(jì)量原理、轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)、信號(hào)的智能化處理、樣機(jī)標(biāo)定及誤差分析。
1引言
流量的正確測量在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)核算、自動(dòng)控制等方面有著廣泛應(yīng)用。在中低流速流量測量中浮子流量計(jì)起著非常重要的作用。
目前國內(nèi)金屬管浮子流量計(jì)的引進(jìn)產(chǎn)品和國產(chǎn)產(chǎn)品中,理論上主要依據(jù)w.Miler的研究成果甲,實(shí)際設(shè)計(jì)中又采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)算,由此而存在三方面的不足,首先,理論上存在一定缺陷;其次,是機(jī)械結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行流量的正確計(jì)量;第三,必須根據(jù)被測介質(zhì)的密度、工況條件及流量范圍進(jìn)行逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造,給生產(chǎn)廠和使用部門帶來不便。
2計(jì)量原理與整機(jī)設(shè)計(jì)
2.1計(jì)量原理
如圖1所示,浮子放于垂直的錐形管道中,隨著流體速度的變化而上下移動(dòng)。浮子受重力、浮力、迎流壓差阻力及粘性應(yīng)力的作用,當(dāng)浮子在垂直方向上合力為零時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài),浮子處于某一穩(wěn)定的位置。當(dāng)來流速度變化時(shí),浮子向下與向上的作用力達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài),浮子又處于一個(gè)新的穩(wěn)定位置。
在針對(duì)浮子流量計(jì)理論推導(dǎo)流量公式的分析過程中,本文既沒有采納早期的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的理論推導(dǎo)成果,也沒有采納現(xiàn)今以W.Miler的研究成果[2為代表的流量公式,因?yàn)閮烧叨际歉鶕?jù)經(jīng)典伯努力方程推導(dǎo)得到的浮子截流壓差與流體連續(xù)方程聯(lián)解,其中,Whitwell和Plumb未考慮工作浮子受力平衡關(guān)系,因此未獲得既反映流體特性又反映浮子特性的通用流量方程;Miller雖然考慮了工作浮子受力平衡關(guān)系,但在聯(lián)解推導(dǎo)中忽略了浮子自身高度的影響，他推出的流量方程[43與經(jīng)典類比推理法中導(dǎo)得的方程完全相同。為提高浮子流量計(jì)的測量精度,本文依照李景鶴等1994年推導(dǎo)出的浮子流量計(jì)普遍流量方程中設(shè)計(jì)出一定流量范圍的金屬管浮子流量計(jì),并通過第5部分的實(shí)際樣機(jī)標(biāo)定進(jìn)--步證實(shí)了該方程的科學(xué)性。該流量方程適用于氣體和液體的測量,同時(shí)又適用于不同形狀的浮子,公式為:
式中Qv一體積流量(m/s)
α一流量系數(shù)
DD一標(biāo)尺零點(diǎn)處錐形管直徑
h一浮子高度位置
φ一錐形管錐半角
Vf一浮子體積
ρf一浮子材料密度
ρ一流體密度
Sf一浮子垂直于流向的最大截面積
β一浮子形狀因子
β定義為:
β=△hSf/V,(2)
式中△h一浮子節(jié)流幾何高度
可見,幾何相似的浮子,β值相同。
分析(1)式可知,對(duì)某--特定結(jié)構(gòu)的浮子流量計(jì)，即錐管的錐度與浮子形狀一定,浮子的流量Qv與浮子高度h之間為非線性關(guān)系。早期的浮子流量計(jì)用減小錐度的方法來降低二次項(xiàng)的影響，要達(dá)到一定的流量測量量程必需延長錐管的長度,從而導(dǎo)致加工困難及安裝不便,目前通行的金屬管浮子流量計(jì)總高度趨向于250mm,錐管高度為60~70mm,二次項(xiàng)引入的非線性已不可忽略，采用某種方法的非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量運(yùn)算顯然不可能具有精度高的計(jì)算結(jié)果。本文用計(jì)算機(jī)計(jì)算流量,極大地提高了計(jì)算精度,同時(shí)提供良好的人機(jī)界面。
2.2整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電容角位移式金屬管浮子流量計(jì)測量原理圖示于圖2,由傳感器、轉(zhuǎn)換器、智能信號(hào)處理器三部分組成。由于浮子內(nèi)嵌磁鋼,當(dāng)浮子.上下移動(dòng)時(shí)，磁鋼同時(shí).上下移動(dòng),與錐管外一端嵌有小磁鋼的機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)形成內(nèi)外磁鋼磁路耦合,內(nèi)磁鋼的運(yùn)動(dòng)將引起外磁鋼的位移,從而引起連桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度0,將浮子直線位移轉(zhuǎn)換成角度的位移,本文利用電容角位移傳感器將角度的變化轉(zhuǎn)換為電容量值C的變化,再經(jīng)信號(hào)處理電路將電容值的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Vout最終使檢測電路的輸出信號(hào)幅值反映流體瞬時(shí)流量的大小,有:
轉(zhuǎn)換器為一端嵌有磁鋼的機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)和電容角位移式傳感器組成,智能信號(hào)處理器由單片機(jī)及外圍電路組成。
3轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
3.1角位移敏感元件設(shè)計(jì)
本文給出一種具有較好魯棒性的精度高的電容角.位移傳感器。遵從以下設(shè)計(jì)方法,使得傳統(tǒng)的電容式角位移傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及測量原理發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。
1)因正弦激勵(lì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴,因此去除傳統(tǒng)電容式角位移傳感器所需的正弦激勵(lì)電壓,采用方波脈沖激勵(lì)，從而避免了諧波干擾,放大不匹配及相誤差;
2)為盡可能完全實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能,傳感器有效面積周圍設(shè)有保護(hù)環(huán)和保護(hù)面與傳感器地連接。圖3為電容敏感元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。主要由3個(gè)同.軸且彼此平行的極板組成:
●作為接收極的固定且為一整體的導(dǎo)電圓盤極板4;
●作為轉(zhuǎn)動(dòng)極的金屬分瓣極板5;
●作為發(fā)射極的固定分瓣式導(dǎo)電圓盤極板6。
這3個(gè)極板中心通過轉(zhuǎn)軸1,轉(zhuǎn)軸裝有兩個(gè)滾動(dòng)軸承，裝配時(shí),保證動(dòng)極板和轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),4.5.6相對(duì)間隙應(yīng)盡可能小。將發(fā)射極板分割成面積相等但彼此間電氣隔離的8個(gè)可作為發(fā)射極的單元s1~s8,每瓣近似為45°,相鄰兩片間隙盡可能小,以獲得較大的電容量;接收極板接收來自發(fā)射極板的感生電荷,設(shè)計(jì)中，發(fā)射與接收極板內(nèi)部和外部都有接地保護(hù)環(huán),以屏蔽電磁干擾,如圖2中2、3所示;轉(zhuǎn)動(dòng)極板由4個(gè)角度相同(45°)間隔相同(45°)的金屬葉片組成。動(dòng)極板葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ決定了發(fā)射極板接收極板之間8個(gè)電容值及相應(yīng)感生電荷的大小。即在一定激勵(lì)脈沖信號(hào)模:式的作用下發(fā)射極板和接收極板之間產(chǎn)生電容。
根據(jù)設(shè)計(jì)需要,浮子行程決定機(jī)械連桿的實(shí)際轉(zhuǎn)角θ相對(duì)變化范圍約為30°,因此，考慮電場的邊緣效應(yīng),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一定冗余,故將電容敏感元件設(shè)計(jì)成能夠?qū)?5°的絕對(duì)角位移進(jìn)行檢測即可。同時(shí)為提高檢測幅值,將s1.s3、s5、s7電氣連接,s2、s4、s6、s8電氣連接,檢測幅值提高4倍。本文研制的角位移傳感器的機(jī)械連桿轉(zhuǎn)角(約30°)小于45°,若僅在s1.s3、s5、s7施加激勵(lì)電壓,則45°內(nèi)極板間電容模型如圖4所示，360°內(nèi)等效計(jì)算模型可簡化為圖5。
3.2信號(hào)處理
分析電容等效電路可知,簡化計(jì)算模型實(shí)際上忽略了電場的邊緣效應(yīng),故通過(4)式簡化計(jì)算的電容值與真實(shí)值應(yīng)有一定誤差。本文采用電容測量電路對(duì)其電容實(shí)際值進(jìn)行檢測。圖6為信號(hào)處理部分原理框圖。傳感器電子線路前端為一電荷檢測器,以降低電路對(duì)高頻信號(hào)的靈敏度,同時(shí)提高了對(duì)電磁場干擾的適應(yīng)能力。因被測電容量值很小,只有13pF左右,故采取充放電法測量電容，與傳統(tǒng)方法不同,本文采用的是一種抗寄生干擾的微小電容測量電路。
4智能化設(shè)計(jì)
4.1流量計(jì)算與刻度換算
前已提及公式(1)中流量Q與浮子高度h間存在非線性關(guān)系;另外,如被測介質(zhì)密度、溫度、壓力與標(biāo)定介質(zhì)不同,浮子處于同一高度時(shí),所反映出的流量值并不相同,為提高計(jì)算精度及自動(dòng)完成刻度換算,引入計(jì)算機(jī)技術(shù),改變了傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)必須根據(jù)被測介質(zhì)的密度進(jìn)行逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造,或在量程范圍滿足工況條件時(shí),現(xiàn)場通過人工方法進(jìn)行刻度換算的狀況，智能化水平得到較大提高。
理論.上液體與氣體流量測量的密度修正公式分別如下:
4.1.1液體流量的修正公式可由流量方程(1)導(dǎo)出被
測液體密度不同于標(biāo)定水時(shí)的流量修正公式:
4.2硬件設(shè)計(jì)
智能信號(hào)處理器的硬件原理如圖7所示,其核心部件為美國某公司的PIC單片機(jī),其內(nèi)部集成了ROM、RAM、定時(shí)器、數(shù)據(jù)采集器、看門狗電路、上電復(fù)位電路,可節(jié)省大量外圍電路。
4.3軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示�？蓪�(shí)現(xiàn)雙排8位LCD同時(shí)顯示累積流量和瞬時(shí)流量;通過儀表界面3個(gè)按鍵可將標(biāo)定曲線系數(shù)、小數(shù)位數(shù)、被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力、壓縮系數(shù)等工況參數(shù)直接置入單片機(jī),自動(dòng)完成刻度換算,實(shí)現(xiàn)流量的正確測量,給不同要求用戶的使用帶來極大方便,無需逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造,與國際同類研究成果相比較,顯示出更強(qiáng)的智能化水平。
5樣機(jī)標(biāo)定
PIC單片機(jī)與錐管中內(nèi)嵌磁鋼的浮子、電容角位移傳感器、硬件信號(hào)處理電路相配合構(gòu)成3臺(tái)(15mm、50mm、80mm口徑)電容角位移式金屬管浮子流量計(jì)樣機(jī)。該樣機(jī)在如圖9所示的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定裝置上進(jìn)行標(biāo)定，高位水塔高36m,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定水壓，以保持流量恒定。標(biāo)準(zhǔn)表選擇電磁流量計(jì),誤差為0.2%。標(biāo)定步驟:
1)利用匯編語言設(shè)計(jì)浮子流量計(jì)專用標(biāo)定軟件。標(biāo)定點(diǎn)6點(diǎn),每點(diǎn)3次,正反行程各5次,記錄樣機(jī)瞬時(shí)電壓采樣值(V/s)與標(biāo)準(zhǔn)表瞬時(shí)流量值(m³/h),對(duì)6個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處的平均值樣本進(jìn)行3階擬合,得到V/s-m³/h的函數(shù)關(guān)系(4),即Q=Q(Vout),通式為:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)將第一步得到的函數(shù)關(guān)系寫入單片機(jī)中,使得樣機(jī).顯示輸出為瞬時(shí)流量m³/h和累計(jì)流量m3,再次標(biāo)定,標(biāo)定點(diǎn)6點(diǎn),正反行程各作3次,對(duì)比樣機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)表的瞬時(shí)流量,分析樣機(jī)誤差,標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。 15mm、50mm、80mm口徑的樣機(jī)標(biāo)定時(shí)，其流量范圍分別為0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程比為10:1。
滿度相對(duì)誤差計(jì)算公式為:
6結(jié)論
電容角位移式智能金屬管浮子流量計(jì)研究結(jié)果表明:
本文依據(jù)李景鶴等推導(dǎo)出的浮子流量計(jì)普遍流量方程,適用于氣體、液體測量,并兼顧浮子形狀影響,從而為本文研究般溪子流量計(jì)測量精度的提高提供了理論保障;
無需根據(jù)被測介質(zhì)的密度、使用工況條件和流量范圍進(jìn)行逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造,將給生產(chǎn)廠商和使用部門帶來極大的方便;
改變了國內(nèi)金屬管浮子流量計(jì)引進(jìn)產(chǎn)品和國產(chǎn)產(chǎn)品中因采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)算而導(dǎo)致精度較低的狀況;
用電容角位移式傳感器測量浮子位移,配合PIC單片機(jī)組成的新型智能金屬管浮子流量計(jì),運(yùn)用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的方法得到該流量計(jì)瞬時(shí)流量的精度為1級(jí),通過對(duì)這3種口徑的樣機(jī)連續(xù)運(yùn)行數(shù)月后重新標(biāo)定,精度并未發(fā)生變化,證實(shí)了該儀表的可靠性。
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