摘要(yào)：基于浮子(zǐ)流量計 普遍流量方(fāng)程口及電(diàn)容角(jiǎo)位移(yí)式(shì)傳感器(qì)檢測(cè)機理(lǐ)的新(xīn)型智能金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計 ,實(shí)現了(le)對流量的(de)正确測量(liàng)。本文詳細介紹該流(liú)量計計量(liàng)原理(lǐ)、轉換器(qì)的設計、信号的智(zhì)能化(huà)處理(lǐ)、樣(yàng)機(jī)标定(dìng)及誤差分析。
1引言
　　流(liú)量的正确(què)測量在節能降(jiàng)耗、經(jīng)濟核算、自動控(kòng)制(zhì)等方面(miàn)有着(zhe)廣(guǎng)泛(fàn)應用(yòng)。在中(zhōng)低流速流量測(cè)量中浮子(zǐ)流量計起着非常重要的作用(yòng)。
　　目前(qián)國内(nèi)金屬(shǔ)管浮(fú)子(zǐ)流量計(jì)的引進産(chǎn)品和(hé)國産(chǎn)産品(pǐn)中,理(lǐ)論上主(zhǔ)要(yào)依據(jù)w.miler的研究成果甲(jiǎ),實際設(shè)計(jì)中又(yòu)采用(yòng)機械(xiè)結構(gòu)進行流量(liàng)計算(suàn),由此(cǐ)而存在三(sān)方面(miàn)的不足,首先,理論上存在(zài)一定(dìng)缺(quē)陷;其次(cì),是機(jī)械結構無(wú)法進行流量的正确計量;第三,必須根據被測(cè)介質(zhì)的密度、工(gōng)況條件及(jí)流量(liàng)範圍進行逐台(tái)設計(jì)制造,給生(shēng)産廠(chǎng)和使用部(bù)門帶(dài)來不便(biàn)。
2計(jì)量原(yuán)理與整機(jī)設計(jì)
2.1計量(liàng)原理
　　如圖1所(suǒ)示,浮子(zǐ)放于垂直的錐(zhuī)形管道(dào)中,随着(zhe)流體(tǐ)速度的變化而上(shàng)下移動(dòng)。浮子受重(zhòng)力、浮(fú)力、迎流壓差阻(zǔ)力及粘性(xìng)應力的作(zuò)用,當浮子(zǐ)在垂直方向上(shàng)合力(lì)爲(wèi)零時達(dá)到(dào)平(píng)衡狀(zhuàng)态,浮(fú)子處于某(mǒu)一穩(wěn)定的位置。當來(lái)流速度(dù)變化時(shí),浮子向下(xià)與向上的作用力達(dá)到一(yī)個新(xīn)的平(píng)衡狀态,浮(fú)子又(yòu)處于一個新的穩定(dìng)位置(zhì)。
 
　　在針對浮(fú)子流(liú)量計(jì)理論(lùn)推導流(liú)量(liàng)公式(shì)的(de)分析過程中(zhōng),本文(wén)既沒(méi)有采(cǎi)納早期的j.c.whitwell和(hé)d.s.plumb的(de)理論推導(dǎo)成果,也沒有(yǒu)采納現今以w.miler的研(yán)究成(chéng)果[2爲(wèi)代表(biǎo)的流(liú)量(liàng)公式,因(yīn)爲兩者都是根(gēn)據經(jīng)典伯努力(lì)方程推導(dǎo)得到的浮子截流壓(yā)差與流體連續(xù)方程(chéng)聯解,其中(zhōng),whitwell和plumb未考慮工作浮子受力(lì)平衡(héng)關系,因(yīn)此未獲(huò)得既(jì)反映流體(tǐ)特性(xìng)又反映浮(fú)子特性(xìng)的通用(yòng)流量方程(chéng);miller雖然(rán)考慮了工作浮(fú)子受(shòu)力平衡關(guān)系(xì),但(dàn)在聯解推(tuī)導中忽略了浮(fú)子自身高度的(de)影響，他(tā)推出的(de)流量方程(chéng)[43與經(jīng)典類比推(tuī)理法(fǎ)中導得的方程(chéng)完全相同。爲提(tí)高浮(fú)子流量計的測量精度,本文依照李(lǐ)景鶴(hè)等1994年推(tuī)導出的(de)浮子流(liú)量計普(pǔ)遍流量方(fāng)程中設計(jì)出一定流量範圍(wéi)的金屬(shǔ)管浮子流量計(jì),并通過第5部分的實際樣(yàng)機标(biāo)定進(jìn)--步證(zhèng)實了(le)該方(fāng)程(chéng)的科學(xué)性。該流量方(fāng)程(chéng)适用(yòng)于氣(qì)體和(hé)液體的測量,同(tóng)時又适用于不(bú)同形(xíng)狀的浮子(zǐ),公式(shì)爲:
 
　　式中qv一(yī)體積流量(m/s)
α一流量系數
dd一(yī)标尺(chǐ)零點處(chù)錐(zhuī)形管(guǎn)直徑
h一浮(fú)子高(gāo)度位置
φ一錐形管錐半角
vf一浮子體積
ρf一(yī)浮子材料(liào)密度
ρ一流(liú)體(tǐ)密度(dù)
sf一浮子垂直(zhí)于(yú)流向的(de)最大截面(miàn)積
β一(yī)浮子(zǐ)形狀因子(zǐ)
β定義爲:
β=△hsf/v,(2)
　　式中△h一浮子節流幾何(hé)高度
　　可見(jiàn),幾何(hé)相似的浮(fú)子,β值(zhí)相同(tóng)。
　　分(fèn)析(1)式可知,對某--特定結(jié)構(gòu)的(de)浮子流量(liàng)計，即錐管的錐(zhuī)度與(yǔ)浮子形狀一定,浮(fú)子的流量qv與(yǔ)浮子高度(dù)h之間爲非線性(xìng)關系(xì)。早(zǎo)期的浮子流(liú)量計(jì)用減(jiǎn)小錐度的(de)方法(fǎ)來降(jiàng)低二次項(xiàng)的影響，要(yào)達到(dào)一定(dìng)的(de)流量(liàng)測量量程必需延(yán)長錐管(guǎn)的長度(dù),從而(ér)導(dǎo)緻加工困難及安裝不(bú)便,目前(qián)通(tōng)行的(de)金屬(shǔ)管(guǎn)浮(fú)子流(liú)量計總高(gāo)度趨(qū)向于250mm,錐管高度爲60~70mm,二次項(xiàng)引入(rù)的非線性(xìng)已不(bú)可忽略，采用某(mǒu)種方(fāng)法(fǎ)的(de)非線性機械結構進(jìn)行流(liú)量運算顯(xiǎn)然不可能具有精度高的(de)計算(suàn)結果。本文(wén)用計(jì)算機計算流量(liàng),極(jí)大地提(tí)高了計算(suàn)精度,同時(shí)提供(gòng)良(liáng)好(hǎo)的人(rén)機界面。
2.2整機結(jié)構設計(jì)
 
　　電容角位移式金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計(jì)測(cè)量原理(lǐ)圖示于(yú)圖2,由傳(chuán)感(gǎn)器、轉換器(qì)、智能信号處理器三部分(fèn)組成。由于浮(fú)子(zǐ)内嵌磁鋼,當浮子.上(shàng)下移動時(shí)，磁鋼同時.上下移動(dòng),與錐管外(wài)一端嵌有(yǒu)小磁鋼的(de)機械連杆(gǎn)機構(gòu)形(xíng)成内外(wài)磁鋼(gāng)磁(cí)路(lù)耦合(hé),内(nèi)磁鋼的(de)運動将引(yǐn)起外(wài)磁鋼的位移(yí),從(cóng)而引(yǐn)起連杆轉(zhuǎn)動一(yī)定角度(dù)0,将(jiāng)浮子直線(xiàn)位移轉換(huàn)成角度的位移(yí),本文(wén)利用電容(róng)角位移傳感器将角(jiǎo)度的變化(huà)轉換(huàn)爲(wèi)電(diàn)容量值c的變化(huà),再(zài)經(jīng)信号處(chù)理電路(lù)将電(diàn)容(róng)值(zhí)的變化轉化(huà)爲(wèi)電壓信(xìn)号(hào)vout最終使檢(jiǎn)測電路的(de)輸(shū)出信号幅值反映流體瞬時(shí)流量(liàng)的大(dà)小,有(yǒu):
 
　　轉換(huàn)器爲(wèi)一端嵌有(yǒu)磁鋼的機械連杆機構和(hé)電容角位(wèi)移式傳感器組成,智(zhì)能信(xìn)号處理器由單(dān)片機及外(wài)圍(wéi)電(diàn)路組(zǔ)成。
3轉換器(qì)的設(shè)計
3.1角(jiǎo)位移敏感(gǎn)元件設計(jì)
　　本文給出(chū)一種(zhǒng)具有較好魯棒性的精度(dù)高的電容角(jiǎo).位(wèi)移傳感器(qì)。遵從以下(xià)設計(jì)方(fāng)法,使得(dé)傳統的電容式(shì)角位(wèi)移傳(chuán)感器(qì)的拓撲結(jié)構及(jí)測量(liàng)原(yuán)理發生(shēng)根本性(xìng)轉變。
1)因(yīn)正弦激勵複(fú)雜(zá)，價格昂(áng)貴,因此(cǐ)去除(chú)傳統(tǒng)電容(róng)式角位移(yí)傳感(gǎn)器(qì)所需的正弦(xián)激勵電壓,采用(yòng)方波脈沖激勵(lì)，從而避免(miǎn)了諧波幹(gàn)擾,放(fàng)大不(bú)匹配及(jí)相(xiàng)誤差(chà);
2)爲盡(jìn)可(kě)能完全實現電磁屏蔽(bì)功能,傳(chuán)感器有(yǒu)效面(miàn)積周圍設(shè)有保護環和保(bǎo)護面與(yǔ)傳感(gǎn)器地連(lián)接。圖3爲電容敏感(gǎn)元件拓(tuò)撲結(jié)構示意圖(tú)。主要由3個(gè)同.軸(zhóu)且彼(bǐ)此平行的極闆組成:
 
●作爲(wèi)接收(shōu)極的(de)固定且爲(wèi)一(yī)整體的(de)導(dǎo)電圓盤極闆(pǎn)4;
●作爲轉動(dòng)極的金屬分瓣(bàn)極闆(pǎn)5;
●作爲發(fā)射(shè)極的固定分(fèn)瓣式導(dǎo)電圓盤極闆6。
　　這(zhè)3個極闆中心通過轉軸1,轉(zhuǎn)軸裝(zhuāng)有兩(liǎng)個滾動軸(zhóu)承，裝(zhuāng)配時(shí),保證(zhèng)動極闆和轉軸(zhóu)一起(qǐ)轉動,4.5.6相(xiàng)對間隙應(yīng)盡(jìn)可能(néng)小。将發(fā)射極闆分割(gē)成面積相(xiàng)等但彼此(cǐ)間電氣隔(gé)離的(de)8個可(kě)作爲發射(shè)極的單元(yuán)s1~s8,每瓣近似(sì)爲45°,相鄰兩片間(jiān)隙盡可能小,以(yǐ)獲得較大(dà)的(de)電(diàn)容量;接(jiē)收(shōu)極闆(pǎn)接收來自發射極闆的感生電(diàn)荷,設計中(zhōng)，發射(shè)與接收極闆内(nèi)部和外部都有接地保(bǎo)護環,以(yǐ)屏蔽電(diàn)磁幹擾(rǎo),如圖(tú)2中2、3所示;轉(zhuǎn)動極(jí)闆由4個(gè)角度相同(45°)間隔相(xiàng)同(45°)的金屬葉片(piàn)組成。動極(jí)闆葉(yè)片轉動的(de)角度(dù)θ決定了發(fā)射極(jí)闆接收極(jí)闆之(zhī)間8個電容值及(jí)相應感生(shēng)電荷的大小(xiǎo)。即在一(yī)定激勵脈沖信号模(mó):式(shì)的(de)作用(yòng)下發(fā)射(shè)極(jí)闆和(hé)接收極闆(pǎn)之間(jiān)産(chǎn)生電容。
　　根據設計(jì)需要,浮子(zǐ)行程決定機械(xiè)連杆的(de)實際轉角θ相對變(biàn)化範圍(wéi)約爲30°,因此，考(kǎo)慮電場的邊緣(yuán)效應(yīng),設計時應有一定冗餘,故将電(diàn)容敏感元件設(shè)計成(chéng)能夠(gòu)對45°的(de)絕對(duì)角位移進行檢測即(jí)可。同時爲(wèi)提高(gāo)檢測幅值,将s1.s3、s5、s7電(diàn)氣連接,s2、s4、s6、s8電(diàn)氣連(lián)接,檢測幅值(zhí)提(tí)高4倍。本文(wén)研制(zhì)的角位移傳感(gǎn)器的機(jī)械(xiè)連杆(gǎn)轉角(約30°)小于45°,若(ruò)僅在s1.s3、s5、s7施加(jiā)激勵(lì)電壓,則45°内極闆(pǎn)間電(diàn)容(róng)模型如(rú)圖4所(suǒ)示，360°内等效計算模型可簡(jiǎn)化爲(wèi)圖5。
 
3.2信号處理
　　分析電容等(děng)效電(diàn)路可知,簡(jiǎn)化計算模型實(shí)際(jì)上忽(hū)略(luè)了電場的邊緣效應,故通過(4)式(shì)簡化計算(suàn)的(de)電容值(zhí)與真(zhēn)實值(zhí)應有一(yī)定誤差。本文(wén)采用電容(róng)測量(liàng)電路對其電容(róng)實際值(zhí)進(jìn)行檢(jiǎn)測。圖(tú)6爲信号處(chù)理部分(fèn)原(yuán)理框(kuàng)圖。傳感器(qì)電子(zǐ)線路(lù)前(qián)端爲一(yī)電荷檢測(cè)器,以(yǐ)降低(dī)電(diàn)路(lù)對高頻信号(hào)的靈敏(mǐn)度,同(tóng)時(shí)提(tí)高了對電(diàn)磁場(chǎng)幹擾的适應能(néng)力。因被測(cè)電(diàn)容量值很小,隻有(yǒu)13pf左右(yòu),故采取充放電法測量(liàng)電容，與(yǔ)傳統方法不同(tóng),本文采用(yòng)的是(shì)一(yī)種(zhǒng)抗寄(jì)生幹(gàn)擾的微小電(diàn)容測量電路。
 
4智能(néng)化設計(jì)
4.1流量計(jì)算與刻度換算
　　前已提(tí)及(jí)公式(1)中流(liú)量q與浮子(zǐ)高度h間存(cún)在非(fēi)線性關(guān)系;另外(wài),如被測介(jiè)質密度、溫度(dù)、壓力與(yǔ)标定介(jiè)質不(bú)同(tóng),浮子處于同一高度時,所反映(yìng)出的(de)流量值并(bìng)不相同,爲(wèi)提高(gāo)計算精(jīng)度及自(zì)動完成刻度換(huàn)算,引入計算機技術,改(gǎi)變(biàn)了傳統的(de)金屬(shǔ)管浮(fú)子流量計必須(xū)根據(jù)被測介質(zhì)的密度進行逐(zhú)台設(shè)計制造,或在量程範圍滿(mǎn)足工(gōng)況條件時(shí),現場通過人工(gōng)方法進行刻度(dù)換算的狀況，智能化(huà)水平(píng)得到(dào)較大提高(gāo)。
　　理(lǐ)論(lùn).上液體與(yǔ)氣體流量測(cè)量的密(mì)度修正(zhèng)公(gōng)式分(fèn)别(bié)如下:
4.1.1液體流(liú)量的(de)修正公式可由流(liú)量方程(chéng)(1)導出(chū)被(bèi)
　　測液體(tǐ)密度不同(tóng)于标(biāo)定水時的流量(liàng)修正公式:
 
4.2硬(yìng)件(jiàn)設計(jì)
　　智能(néng)信号(hào)處理器(qì)的硬件(jiàn)原理(lǐ)如圖(tú)7所示(shì),其核(hé)心部(bù)件爲美國某公司的pic單片機,其(qí)内部(bù)集成了(le)rom、ram、定時器(qì)、數據(jù)采集器、看(kàn)門狗電路、上電(diàn)複位電路(lù),可(kě)節(jiē)省大量外圍電(diàn)路。
 
4.3軟(ruǎn)件(jiàn)設計
　　軟(ruǎn)件設(shè)計流(liú)程如圖8所示。可(kě)實現(xiàn)雙排8位lcd同時顯(xiǎn)示累積流量和瞬時流(liú)量;通過(guò)儀表界面(miàn)3個按(àn)鍵(jiàn)可(kě)将标定曲(qǔ)線系數、小數位數、被測介質的(de)密度、溫(wēn)度、壓力、壓縮系數等工(gōng)況(kuàng)參數直接置(zhì)入單片機,自動(dòng)完成刻度(dù)換算(suàn),實現(xiàn)流(liú)量的正(zhèng)确測(cè)量,給不同要求用(yòng)戶的使(shǐ)用帶來極大方便,無需逐(zhú)台設(shè)計制造(zào),與(yǔ)國際(jì)同類研究成果(guǒ)相(xiàng)比較,顯示出(chū)更強(qiáng)的智(zhì)能化(huà)水平。
 
5樣(yàng)機(jī)标定
　　pic單片機與(yǔ)錐管中内嵌磁(cí)鋼的(de)浮(fú)子、電容角位(wèi)移傳感器、硬件信号處理電路(lù)相配(pèi)合構成3台(tái)(15mm、50mm、80mm口徑(jìng))電容角位移式金屬管浮(fú)子流量計樣機(jī)。該樣機在(zài)如圖9所示的實驗标(biāo)定裝(zhuāng)置上(shàng)進行(háng)标定，高位水塔(tǎ)高36m,實現(xiàn)穩(wěn)定水壓，以保持(chí)流量恒定。标(biāo)準(zhǔn)表選(xuǎn)擇電(diàn)磁流量計(jì),誤(wù)差爲(wèi)0.2%。标定步(bù)驟:
 
1)利用彙編語言設計(jì)浮子流量計(jì)專(zhuān)用标定(dìng)軟件。标定(dìng)點6點,每點3次(cì),正反行(háng)程各5次,記(jì)錄樣(yàng)機瞬時電壓采(cǎi)樣值(v/s)與(yǔ)标準表瞬時(shí)流量值(m³/h),對(duì)6個标(biāo)定點(diǎn)處的平均(jun1)值(zhí)樣本進(jìn)行3階拟合,得到(dào)v/s-m³/h的函數(shù)關系(4),即(jí)q=q(vout),通式(shì)爲:
q=a+b1*v+b2*v²+b3*v³;(12)
2)将(jiāng)第一步得到的函數(shù)關系寫入(rù)單片(piàn)機中(zhōng),使得樣機(jī).顯示輸出(chū)爲瞬時流(liú)量m³/h和累計(jì)流量m3,再次标定(dìng),标定點(diǎn)6點,正反行程(chéng)各(gè)作3次,對比樣機與标準表的瞬(shùn)時流量,分析(xī)樣機(jī)誤差(chà),标定數據見表(biǎo)1。 15mm、50mm、80mm口徑的(de)樣機标(biāo)定時(shí)，其流(liú)量範圍分别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程比爲10:1。
　　滿度相對(duì)誤差(chà)計算公式(shì)爲:
 
 
6結論(lùn)
　　電(diàn)容角(jiǎo)位移(yí)式智能金(jīn)屬管(guǎn)浮子(zǐ)流量計研(yán)究結果表(biǎo)明:
　　本文依(yī)據李景鶴(hè)等(děng)推導出(chū)的浮子流(liú)量計(jì)普遍(biàn)流量方程(chéng),适用于(yú)氣體、液(yè)體測量,并(bìng)兼顧(gù)浮子形狀影響(xiǎng),從而(ér)爲(wèi)本文研(yán)究般(bān)溪子(zǐ)流量(liàng)計測量精度的(de)提高提(tí)供了(le)理(lǐ)論保(bǎo)障;
　　無需根(gēn)據被測介(jiè)質的密度(dù)、使(shǐ)用工況條(tiáo)件和流(liú)量範圍進(jìn)行逐台設計制造,将(jiāng)給生産廠(chǎng)商和使用部門(mén)帶來極大(dà)的方便;
　　改變了(le)國内金屬管(guǎn)浮子流量計引進産品和國産産(chǎn)品中因采用機(jī)械結(jié)構進行流量計(jì)算而(ér)導緻精度較低(dī)的狀(zhuàng)況;
　　用電容(róng)角位(wèi)移式傳感(gǎn)器測量浮子位移,配(pèi)合pic單片機組成(chéng)的新(xīn)型智能金(jīn)屬管浮(fú)子(zǐ)流量計,運(yùn)用實驗标(biāo)定數據的方法(fǎ)得到(dào)該流量計(jì)瞬時流量的精(jīng)度爲(wèi)1級(jí),通過對(duì)這3種口徑(jìng)的樣機連續運行數(shù)月後重(zhòng)新标定,精度并未發生(shēng)變化,證(zhèng)實了該(gāi)儀表(biǎo)的可靠性(xìng)。

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