摘要(yao)：基于浮子(zi)流量計 普(pǔ)遍流量方(fāng)程口及電(diàn)容角位移(yi)式傳感器(qi)檢測機理(li)的新型智(zhì)能金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計 ,實現了(le)對流量的(de)正确測量(liang)。本文詳細(xì)介紹該流(liu)量計計量(liang)原理、轉換(huan)器的設計(jì)、信号的智(zhì)能化處理(li)、樣機标定(dìng)及誤差分(fen)析。
1引言
　　流(liu)量的正确(què)測量在節(jiē)能降耗、經(jīng)濟核算、自(zi)動控制💃等(deng)方面👌有🈲着(zhe)廣泛應用(yòng)。在中低流(liú)速流量測(cè)量中浮子(zi)流量計起(qǐ)着非常重(zhong)要的作用(yòng)。
　　目前國内(nei)金屬管浮(fú)子流量計(ji)的引進産(chǎn)品和國産(chan)産品中🐪,理(li)論上主要(yào)依據w.Miler的研(yan)究成果甲(jiǎ),實際設計(ji)中又采用(yòng)機械結構(gou)進行流量(liang)計算,由此(cǐ)而存在三(san)方面的不(bu)足,首先,理(li)論上存在(zài)一定缺陷(xian);其次,是機(ji)械結構無(wu)法進行流(liu)量的正确(què)計量;第三(sān),必須根據(ju)被測介質(zhi)的密度、工(gōng)況條件及(ji)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(yuan)理與整機(jī)設計
2.1計量(liang)原理
　　如圖(tu)1所示,浮子(zǐ)放于垂直(zhí)的錐形管(guǎn)道中,随着(zhe)流體速🌂度(du)的變化而(ér)上下移動(dong)。浮子受重(zhòng)力、浮力、迎(yíng)流壓差阻(zǔ)力及粘性(xing)應力的作(zuo)用,當浮子(zi)在垂直方(fang)向上合力(li)爲零時達(da)到平衡狀(zhuàng)态,浮💜子處(chù)于🛀某一穩(wen)定的位置(zhì)。當來流速(sù)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(gè)新的穩定(ding)位置。
 
　　在針(zhēn)對浮子流(liú)量計理論(lùn)推導流量(liàng)公式的分(fen)析過程中(zhōng),本💋文💋既沒(mei)有采納早(zǎo)期的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推導(dao)成果,也沒(mei)✊有采納現(xian)今以W.Miler的研(yan)究成果[2爲(wei)代表的流(liú)量公式,因(yīn)爲兩者都(dōu)是根據經(jīng)典伯努力(li)方程推導(dao)得到的浮(fu)子截流壓(yā)差與流體(tǐ)連續方程(cheng)聯解💃,其中(zhōng),Whitwell和Plumb未考慮(lü)工作浮子(zi)受力平衡(héng)關系,因此(cǐ)未獲得既(ji)反映☔流體(tǐ)特性又反(fan)💃映浮子特(te)性的通用(yong)流量方程(chéng);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(lue)了浮子自(zì)身高度的(de)影響，他推(tui)出🔴的流量(liàng)方程[43與經(jing)典類比推(tui)理法中導(dǎo)得的方程(cheng)完全相同(tong)🔆。爲提🐉高浮(fu)子流量計(ji)的測量精(jing)度,本文依(yī)照李景鶴(he)等1994年推導(dao)出的浮子(zǐ)流量計普(pu)遍流量方(fang)程中設計(ji)出一定流(liu)㊙️量範圍的(de)金屬管浮(fú)子流量計(jì),并通過第(dì)5部分的實(shí)際樣🐕機标(biāo)定進--步證(zhèng)實了該方(fang)程的🌏科學(xué)性。該流量(liang)方程适用(yòng)于氣💁體和(hé)液體的測(cè)量,同時又(yòu)适用于不(bú)同形狀的(de)浮子,公式(shi)爲:
 
　　式中Qv一(yī)體積流量(liang)(m/s)
α一流量系(xì)數
DD一标尺(chi)零點處錐(zhui)形管直徑(jìng)
h一浮子高(gāo)度位置
φ一(yi)錐形管錐(zhuī)半角
Vf一浮(fú)子體積
ρf一(yi)浮子材料(liao)密度
ρ一流(liú)體密度
Sf一(yī)浮子垂直(zhi)于流向的(de)最大截面(miàn)積
β一浮子(zǐ)形狀因子(zǐ)
β定義爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式(shi)中△h一浮子(zǐ)節流幾何(he)高度
　　可見(jiàn),幾何相似(si)的浮子,β值(zhí)相同。
　　分析(xī)(1)式可知,對(duì)某--特定結(jie)構的浮子(zǐ)流量計，即(jí)錐管😄的錐(zhuī)♉度與浮子(zǐ)形狀一定(dìng),浮子的流(liú)量Qv與浮子(zǐ)高度h之間(jiān)爲非線性(xing)關系‼️。早期(qī)💰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(cè)量量程必(bì)需延長錐(zhuī)管的長度(dù),從而🈲導緻(zhì)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(gāo)度趨向于(yú)250mm,錐管高度(du)爲60~70mm,二次項(xiàng)引入的非(fei)線性已不(bú)可忽略，采(cǎi)用某種方(fang)法的非線(xiàn)性機械結(jié)構進♈行💞流(liú)量運算顯(xian)然不可能(neng)具有精度(du)高👅的🔅計算(suan)結果。本文(wen)用計算機(ji)計算流量(liàng),極大地提(tí)高了計算(suàn)精度,同時(shi)提供良好(hao)的人機界(jie)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(hào)處理器三(sān)部分組成(cheng)。由🥵于浮子(zi)内嵌磁鋼(gang),當📞浮子.上(shàng)下移動時(shí)，磁鋼同時(shí).上下移動(dòng),與錐管外(wài)一端嵌📐有(you)小磁🌈鋼的(de)機械連🐉杆(gǎn)機構形成(cheng)内外磁鋼(gāng)磁路耦合(hé),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(xian)位移轉換(huan)成角度的(de)位移,本文(wen)利用電容(rong)角位移🐉傳(chuan)感器将角(jiǎo)度的變化(huà)轉✂️換爲電(diàn)容量值C的(de)變化,再經(jing)信号處理(li)電路将電(diàn)容值的變(bian)化轉化爲(wèi)電壓信号(hao)Vout最終使檢(jiǎn)測電路的(de)輸出信号(hào)幅值反映(yìng)流體瞬時(shí)流量的大(da)小,有:
 
　　轉換(huan)器爲一端(duan)嵌有磁鋼(gang)的機械連(lian)杆機構和(he)電容角位(wei)💔移式傳感(gǎn)器組成,智(zhi)能信号處(chù)理器由單(dān)片機及外(wai)圍電路組(zu)成。
3轉換器(qi)的設計
3.1角(jiao)位移敏感(gan)元件設計(jì)
　　本文給出(chu)一種具有(yǒu)較好魯棒(bang)性的精度(du)高的電容(rong)角.位移🙇🏻傳(chuan)🤟感器。遵從(cóng)以下設計(ji)方法,使得(de)傳統的電(diàn)容式⭕角位(wei)移傳✊感器(qi)的拓撲結(jié)構及測量(liang)原理發生(shēng)根本性㊙️轉(zhuǎn)變。
1)因正弦(xián)激勵複雜(za)，價格昂貴(guì),因此去除(chú)傳統電容(róng)式角✌️位移(yí)傳✍️感器所(suǒ)需的正弦(xian)激勵電壓(yā),采用方波(bō)脈沖激勵(lì)，從💯而避免(miǎn)了諧波幹(gàn)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(neng),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(dian)容敏感元(yuán)💃件拓撲結(jié)構示意圖(tú)。主要由3個(ge)同.軸且彼(bi)此平行的(de)極闆組成(cheng):
 
●作爲接收(shōu)極的固定(dìng)且爲一整(zheng)體的導電(dian)圓盤極闆(pǎn)4;
●作爲轉動(dong)極的金屬(shǔ)分瓣極闆(pǎn)5;
●作爲發射(she)極的固定(ding)分瓣式導(dao)電圓盤極(jí)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(shi),保證動極(ji)闆和轉軸(zhou)一起轉動(dòng),4.5.6相對間隙(xì)應盡可能(néng)小。将發射(she)極闆分割(ge)成面積相(xiang)等但彼此(cǐ)間電氣隔(gé)離的8個可(kě)作爲發射(shè)極的單元(yuan)s1~s8,每瓣近似(sì)爲45°,相鄰兩(liǎng)片🈲間隙盡(jin)可能小,以(yǐ)獲得較大(da)的電容量(liang);接收極闆(pan)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(nèi)部和外部(bù)都有接地(di)保護環💘,以(yǐ)屏蔽電磁(ci)幹擾,如圖(tu)2中2、3所示;轉(zhuǎn)動極闆由(yóu)4個角度相(xiang)同(45°)間隔相(xiàng)同(45°)的金屬(shǔ)葉片組成(cheng)。動極闆葉(yè)片🐉轉動的(de)角‼️度θ決定(ding)了發射極(ji)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(yī)定激勵脈(mò)沖信号模(mo):式的作用(yòng)下發射極(jí)闆和接💁收(shou)極闆之間(jiān)産生電容(rong)。
　　根據設計(jì)需要,浮子(zǐ)行程決定(ding)機械連杆(gan)的實際轉(zhuǎn)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(diàn)容敏感元(yuán)件設計成(chéng)能夠對45°的(de)絕對🚶‍♀️角位(wèi)移進行檢(jian)測即可。同(tóng)時爲提高(gāo)檢測幅值(zhí)✌️,将s1.s3、s5、s7電氣連(lián)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(yi)傳感器的(de)機械連✊杆(gǎn)轉角(約30°)小(xiao)于45°,若僅在(zai)s1.s3、s5、s7施🤞加激勵(lì)電壓,則45°内(nèi)極闆間電(dian)容模型如(rú)圖4所示，360°内(nèi)等效計算(suàn)模型可簡(jiǎn)化爲圖5。
 
3.2信(xin)号處理
　　分(fen)析電容等(děng)效電路可(ke)知,簡化計(ji)算模型實(shí)際上忽略(luè)了電場的(de)邊緣效應(ying),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(wén)采用電容(rong)測量電路(lu)對其電容(róng)實際值進(jìn)行檢測。圖(tu)6爲信号處(chu)理部分原(yuan)理框圖🚶‍♀️。傳(chuan)感器電子(zǐ)線路前端(duān)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(rǎo)的适應能(néng)力。因被測(ce)電容量值(zhí)很⭕小,隻有(yǒu)13pF左右,故采(cǎi)取充放電(dian)法測量電(diàn)容，與傳統(tǒng)方法不💔同(tóng)🍉,本文采用(yòng)的是一種(zhong)抗寄生幹(gan)擾的微小(xiao)電容測量(liàng)電路。
 
4智能(néng)化設計
4.1流(liu)量計算與(yǔ)刻度換算(suan)
　　前已提及(jí)公式(1)中流(liú)量Q與浮子(zǐ)高度h間存(cún)在非線性(xing)關系;另外(wai),如被測介(jie)質密度、溫(wēn)度、壓力與(yǔ)标定介質(zhì)不同,浮子(zǐ)💯處于同一(yī)㊙️高度時,所(suo)反映出的(de)流量值并(bìng)不相同,爲(wèi)提高計算(suan)精度及自(zi)動完成刻(ke)度換算,引(yin)❄️入計算機(ji)😄技術,改變(biàn)了傳統的(de)金屬管浮(fu)子流量計(jì)必須根據(jù)被🐇測介質(zhi)的密🍉度進(jìn)行逐台設(shè)計制造,或(huò)在量程範(fan)圍滿足工(gong)況條件時(shi),現場通過(guò)人工方法(fa)進行刻度(dù)換算的✌️狀(zhuang)況，智♋能化(huà)水平得到(dào)較大提高(gao)。
　　理論.上液(ye)體與氣體(ti)流量測量(liang)的密度修(xiu)正公式分(fèn)别如♌下:
4.1.1液(yè)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(tǐ)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(ji)
　　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(guo)某公司的(de)PIC單片機,其(qí)内部集成(cheng)了ROM、RAM、定時器(qì)、數據采集(jí)器、看門狗(gou)電路、上電(dian)複位電路(lù),可節省大(dà)✔️量外圍電(dian)路。
 
4.3軟件設(she)計
　　軟件設(she)計流程如(rú)圖8所示。可(kě)實現雙排(pai)8位LCD同時顯(xiǎn)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(ke)将标定曲(qǔ)線系數、小(xiǎo)數位數、被(bei)測介質的(de)密度、溫度(du)、壓♻️力、壓縮(suo)系數等工(gōng)況參數直(zhi)接置入單(dān)片機,自動(dong)完成刻度(du)換算,實現(xiàn)流量的正(zheng)确測量,給(gei)不同要求(qiú)用🍓戶的使(shǐ)用帶來極(jí)大方便,無(wu)需逐台設(shè)計制造,與(yu)國際同類(lei)研究成果(guo)相比較,顯(xian)示出更強(qiáng)的智能♻️化(huà)水⭐平。
 
5樣機(ji)标定
　　PIC單片(piàn)機與錐管(guǎn)中内嵌磁(ci)鋼的浮子(zǐ)、電容角位(wèi)移傳感器(qì)、硬🆚件信号(hào)處理電路(lù)相配合構(gou)成3台(15mm、50mm、80mm口徑(jing))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(shì)的📧實驗标(biao)定裝置上(shang)進行标定(ding)，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(zhun)表選擇電(dian)磁流量計(jì),誤差爲💋0.2%。标(biao)定步驟:
 
1)利(li)用彙編語(yǔ)言設計浮(fú)子流量計(ji)專用标定(ding)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(cai)樣值(V/s)與标(biao)準表瞬時(shi)流量值(m³/h),對(dui)6個标定點(diǎn)處的平均(jun1)值樣本進(jìn)行3階拟合(hé),得到V/s-m³/h的🔅函(han)數關系(4),即(jí)Q=Q(Vout),通式爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将(jiāng)第一步得(dé)到的函數(shu)關系寫入(rù)單片機中(zhōng),使得樣機(ji)㊙️.顯✔️示🔅輸出(chū)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(fǎn)行程各作(zuo)3次♉,對比樣(yàng)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(jìng)的樣機标(biāo)定時，其流(liú)量範圍分(fèn)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程(cheng)比爲10:1。
　　滿度(dù)相對誤差(chà)計算公式(shi)爲:
 
 
6結論
　　電(dian)容角位移(yi)式智能金(jin)屬管浮子(zǐ)流量計研(yan)究結果表(biao)明:
　　本文依(yi)據李景鶴(he)等推導出(chu)的浮子流(liu)量計普遍(biàn)流🐇量方程(chéng)⚽,适用于氣(qi)體、液體測(ce)量,并兼顧(gù)浮子形狀(zhuang)影響,從而(ér)爲☀️本文研(yán)究😘般溪子(zi)流量計測(cè)量精度的(de)提高提供(gong)了理論保(bǎo)障;
　　無需根(gēn)據被測介(jie)質的密度(du)、使用工況(kuàng)條件和流(liú)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(lái)極大的方(fang)便;
　　改變了(le)國内金屬(shǔ)管浮子流(liu)量計引進(jìn)産品和國(guo)産産品中(zhōng)因采用機(ji)械結構進(jin)行流量計(ji)算而導緻(zhì)精🙇🏻度較低(dī)的🈲狀況;
　　用(yòng)電容角位(wèi)移式傳感(gan)器測量浮(fu)子位移,配(pèi)合PIC單片機(ji)組成的新(xin)型智能金(jīn)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(jì)瞬時流量(liang)的精度爲(wei)1級,通過對(dui)這3種口徑(jìng)的樣機連(lian)續運行數(shu)月後重新(xin)标定,精度(du)并未發生(shēng)變化,證實(shi)了該儀表(biǎo)的可靠性(xìng)。

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