摘要(yao)：基于浮(fu)子流量(liang)計 普(pu)遍流量方(fang)程口及電(dian)容角(jiao)位移式(shi)傳感器(qi)檢測(ce)機理(li)的新(xin)型智能金屬管(guan)浮子(zi)流量計 ,實現了對(dui)流(liu)量的(de)正确測量(liang)。本文(wen)詳細(xi)介紹該流(liu)量計計(ji)量(liang)原理(li)、轉換器的設計(ji)、信号的智(zhi)能化處理、樣(yang)機标定(ding)及誤差(cha)分析。
1引言
　　流(liu)量(liang)的(de)正确(que)測量(liang)在節能降(jiang)耗、經(jing)濟核算、自(zi)動控制(zhi)等方面(mian)有着廣(guang)泛(fan)應用(yong)。在中低(di)流(liu)速流量測(ce)量(liang)中(zhong)浮子(zi)流量計(ji)起着非常重要的作用(yong)。
　　目前國(guo)内金屬管浮(fu)子流量計(ji)的引進産品和(he)國産(chan)産品中,理(li)論上主(zhu)要依據w.Miler的研究成果甲(jia),實際設計(ji)中又(you)采用(yong)機械結構(gou)進行流(liu)量計算(suan),由此(ci)而存在三(san)方面的不足,首(shou)先,理(li)論上存在(zai)一定缺(que)陷(xian);其次,是機(ji)械(xie)結(jie)構無(wu)法進(jin)行流(liu)量的正确(que)計量(liang);第三(san),必須根據(ju)被測(ce)介質的(de)密(mi)度、工(gong)況條(tiao)件及(ji)流量(liang)範圍(wei)進(jin)行逐台(tai)設計制(zhi)造(zao),給生産廠(chang)和使用部(bu)門帶來不(bu)便。
2計(ji)量原理與(yu)整機(ji)設計
2.1計量(liang)原理
　　如圖1所(suo)示,浮子(zi)放于垂(chui)直(zhi)的錐(zhui)形管(guan)道中(zhong),随着(zhe)流體速度的變化而(er)上(shang)下移動(dong)。浮子受(shou)重力、浮(fu)力、迎流壓差阻(zu)力及粘性(xing)應力(li)的作(zuo)用,當浮子(zi)在垂(chui)直(zhi)方(fang)向上(shang)合力(li)爲(wei)零時達(da)到平衡狀(zhuang)态,浮(fu)子處(chu)于某一穩(wen)定的(de)位置。當來流速(su)度(du)變化時(shi),浮子向下與向(xiang)上的(de)作(zuo)用力達(da)到一(yi)個(ge)新(xin)的平(ping)衡狀(zhuang)态,浮子又(you)處于一(yi)個(ge)新的穩定位置(zhi)。
 
　　在針(zhen)對浮子流(liu)量計(ji)理論(lun)推導流量(liang)公式的(de)分(fen)析過程中,本文(wen)既沒(mei)有采納(na)早(zao)期的(de)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(yi)W.Miler的研(yan)究成(cheng)果[2爲代表(biao)的流(liu)量(liang)公(gong)式,因(yin)爲兩者(zhe)都是根據經典伯努力(li)方程推導(dao)得到(dao)的浮(fu)子截(jie)流壓(ya)差與(yu)流體連續(xu)方程(cheng)聯(lian)解,其中(zhong),Whitwell和Plumb未(wei)考慮(lü)工作浮子(zi)受力(li)平衡(heng)關系,因此(ci)未獲(huo)得既(ji)反(fan)映(ying)流體(ti)特性(xing)又反(fan)映浮(fu)子特性的通用(yong)流量(liang)方程(cheng);Miller雖然(ran)考慮(lü)了工作浮(fu)子受力平(ping)衡關(guan)系,但在聯(lian)解推(tui)導中(zhong)忽略(lue)了浮(fu)子自(zi)身高度的(de)影響，他推出的(de)流量方程[43與經(jing)典類比推(tui)理法(fa)中導得的方程(cheng)完全相(xiang)同。爲提高浮(fu)子(zi)流量計(ji)的測量(liang)精(jing)度,本(ben)文依(yi)照(zhao)李景鶴(he)等1994年(nian)推導(dao)出的(de)浮子(zi)流(liu)量計普(pu)遍流量方(fang)程中(zhong)設計(ji)出一(yi)定流(liu)量範(fan)圍的金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji),并通過第(di)5部分(fen)的實際樣機标(biao)定進--步(bu)證實了(le)該方(fang)程的科學(xue)性。該流量方程(cheng)适用(yong)于氣(qi)體和(he)液體(ti)的(de)測(ce)量,同(tong)時又(you)适用(yong)于不(bu)同形狀(zhuang)的(de)浮子(zi),公式(shi)爲:
 
　　式(shi)中Qv一(yi)體積流量(liang)(m/s)
α一流(liu)量系(xi)數(shu)
DD一标尺(chi)零點處(chu)錐(zhui)形管直徑(jing)
h一浮子高(gao)度位置(zhi)
φ一(yi)錐形(xing)管錐(zhui)半角
Vf一浮(fu)子體積
ρf一(yi)浮子材料(liao)密度(du)
ρ一流(liu)體密度
Sf一(yi)浮子(zi)垂直(zhi)于流(liu)向的(de)最大截面(mian)積
β一浮子形狀因子(zi)
β定義(yi)爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式(shi)中△h一(yi)浮子(zi)節流幾何(he)高度
　　可(ke)見(jian),幾何(he)相似(si)的(de)浮子,β值(zhi)相同(tong)。
　　分析(xi)(1)式可知,對(dui)某--特定結(jie)構的浮(fu)子(zi)流量計，即(ji)錐管的錐(zhui)度與浮子(zi)形狀一定,浮子的流(liu)量Qv與浮子(zi)高度(du)h之間(jian)爲非線性(xing)關系。早期的浮子流量計用減(jian)小錐度的方法來降(jiang)低(di)二(er)次項(xiang)的影響，要達到(dao)一定(ding)的流量測(ce)量量程必需延(yan)長錐管的長度(du),從而導緻(zhi)加工(gong)困難(nan)及安裝不(bu)便,目前通(tong)行的金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)總(zong)高(gao)度趨向于(yu)250mm,錐管(guan)高度(du)爲60~70mm,二次項(xiang)引入(ru)的非線性已不(bu)可忽略(lue)，采(cai)用某(mou)種方(fang)法(fa)的(de)非線(xian)性機械結(jie)構進(jin)行流(liu)量運(yun)算顯(xian)然不(bu)可能具有(you)精度高的計算(suan)結果(guo)。本(ben)文(wen)用計(ji)算機(ji)計算(suan)流量(liang),極大地提高了計算(suan)精度,同時(shi)提供良好的人(ren)機界(jie)面。
2.2整機結(jie)構設計
 
　　電(dian)容角(jiao)位移式金屬管(guan)浮子(zi)流(liu)量(liang)計測(ce)量原(yuan)理圖示于(yu)圖2,由傳(chuan)感(gan)器、轉換器(qi)、智能信号(hao)處理器三部分組成(cheng)。由(you)于浮子(zi)内嵌磁鋼(gang),當浮子.上下移(yi)動時(shi)，磁鋼同時.上下(xia)移動(dong),與錐(zhui)管外(wai)一端嵌有小磁鋼的(de)機械(xie)連杆(gan)機構(gou)形成内外(wai)磁鋼(gang)磁路耦合(he),内磁鋼(gang)的(de)運動(dong)将引(yin)起外磁鋼(gang)的位(wei)移(yi),從(cong)而引(yin)起連杆(gan)轉動一(yi)定角度0,将(jiang)浮子(zi)直線(xian)位移轉換(huan)成角度(du)的位移(yi),本文(wen)利(li)用(yong)電容(rong)角位(wei)移傳(chuan)感器(qi)将角(jiao)度的變化(hua)轉換爲電(dian)容量(liang)值C的變化(hua),再經(jing)信号處(chu)理電路(lu)将電容(rong)值的變(bian)化轉(zhuan)化爲(wei)電壓(ya)信号Vout最(zui)終(zhong)使檢(jian)測電路(lu)的(de)輸出(chu)信号(hao)幅值反映(ying)流體瞬時(shi)流量(liang)的大小,有(you):
 
　　轉換(huan)器爲一端(duan)嵌有磁鋼(gang)的(de)機(ji)械連(lian)杆機構(gou)和(he)電容(rong)角位(wei)移式(shi)傳感(gan)器組成,智能信号處(chu)理器(qi)由單(dan)片機及(ji)外(wai)圍電(dian)路組(zu)成(cheng)。
3轉(zhuan)換器(qi)的設(she)計
3.1角(jiao)位移敏感(gan)元件設計(ji)
　　本文(wen)給出一種具有(you)較好魯棒(bang)性的精度高的電容(rong)角(jiao).位(wei)移傳(chuan)感器。遵從(cong)以下(xia)設計(ji)方法,使得(de)傳統的電(dian)容式(shi)角位移(yi)傳感器(qi)的拓(tuo)撲結構及測量原(yuan)理發生(sheng)根本性(xing)轉變。
1)因(yin)正弦(xian)激勵複雜(za)，價格昂貴(gui),因此去除傳(chuan)統電容(rong)式角(jiao)位移(yi)傳感器所(suo)需的正弦(xian)激勵(li)電(dian)壓(ya),采用方波(bo)脈沖(chong)激勵(li)，從而(er)避(bi)免了諧波幹(gan)擾(rao),放大不(bu)匹配(pei)及相(xiang)誤差(cha);
2)爲盡(jin)可(ke)能(neng)完全(quan)實現(xian)電磁(ci)屏蔽(bi)功能(neng),傳(chuan)感(gan)器有(you)效面積周(zhou)圍設(she)有保(bao)護環和保(bao)護面與傳感器(qi)地連(lian)接。圖3爲電(dian)容敏(min)感元(yuan)件拓(tuo)撲結(jie)構示(shi)意圖(tu)。主要由3個(ge)同.軸(zhou)且彼此平(ping)行的(de)極闆(pan)組成(cheng):
 
●作爲接收(shou)極的固定(ding)且爲(wei)一整體的(de)導電圓盤極闆(pan)4;
●作爲轉動極的金屬分瓣極闆(pan)5;
●作爲發射(she)極的(de)固定分瓣式導(dao)電圓盤極(ji)闆6。
　　這(zhe)3個極(ji)闆(pan)中(zhong)心通(tong)過轉軸1,轉(zhuan)軸裝(zhuang)有兩(liang)個滾動軸(zhou)承，裝配時,保證動極(ji)闆和(he)轉軸(zhou)一起轉動(dong),4.5.6相對(dui)間隙(xi)應(ying)盡可能(neng)小。将(jiang)發(fa)射極闆(pan)分割成面積相(xiang)等但彼此間電(dian)氣隔離(li)的8個可(ke)作爲(wei)發(fa)射極的單元(yuan)s1~s8,每(mei)瓣(ban)近似(si)爲45°,相(xiang)鄰(lin)兩(liang)片間隙盡可能小,以(yi)獲得(de)較大(da)的電(dian)容量;接收極闆(pan)接收來自(zi)發射極闆的感生電(dian)荷,設(she)計中(zhong)，發射(she)與接(jie)收極闆内(nei)部和外部(bu)都有(you)接地(di)保(bao)護(hu)環,以(yi)屏蔽(bi)電磁(ci)幹擾,如圖(tu)2中2、3所(suo)示;轉(zhuan)動極闆由(you)4個角(jiao)度相同(tong)(45°)間隔相(xiang)同(45°)的金屬葉片組成。動極闆葉(ye)片轉(zhuan)動(dong)的(de)角度(du)θ決定(ding)了發射極(ji)闆接收極(ji)闆之間8個(ge)電(dian)容值及(ji)相應(ying)感生(sheng)電荷(he)的大小(xiao)。即(ji)在一(yi)定激勵脈沖信号模(mo):式的作用(yong)下發(fa)射(she)極(ji)闆和(he)接收(shou)極(ji)闆(pan)之間(jian)産生(sheng)電容(rong)。
　　根據(ju)設計需要(yao),浮子(zi)行程決定(ding)機械連杆的實際轉(zhuan)角θ相對(dui)變(bian)化範(fan)圍約(yue)爲30°,因此，考(kao)慮電(dian)場的邊緣(yuan)效應(ying),設計(ji)時應(ying)有一定冗(rong)餘,故将電(dian)容(rong)敏感元(yuan)件設(she)計成能夠(gou)對45°的(de)絕(jue)對角位(wei)移進(jin)行檢(jian)測即(ji)可。同(tong)時(shi)爲(wei)提高(gao)檢測幅(fu)值(zhi),将s1.s3、s5、s7電(dian)氣連(lian)接,s2、s4、s6、s8電(dian)氣連(lian)接,檢(jian)測(ce)幅(fu)值提(ti)高4倍(bei)。本文研制(zhi)的角(jiao)位移(yi)傳感(gan)器的機械(xie)連杆(gan)轉角(約30°)小(xiao)于45°,若僅在(zai)s1.s3、s5、s7施加激勵(li)電壓,則(ze)45°内極闆(pan)間電容模(mo)型如(ru)圖4所示，360°内(nei)等效計算(suan)模型可簡(jian)化爲(wei)圖5。
 
3.2信(xin)号處(chu)理
　　分析電(dian)容等(deng)效電路(lu)可知,簡(jian)化計算模(mo)型實(shi)際上忽略了電場的(de)邊緣(yuan)效應(ying),故通過(4)式簡化(hua)計算(suan)的(de)電容值(zhi)與真實值(zhi)應有(you)一定(ding)誤(wu)差(cha)。本文(wen)采用電容測量電路(lu)對(dui)其電容(rong)實際(ji)值進行檢(jian)測。圖(tu)6爲信(xin)号處(chu)理部分原理框(kuang)圖。傳(chuan)感器(qi)電子(zi)線路(lu)前(qian)端(duan)爲一(yi)電荷(he)檢測器,以(yi)降低電路(lu)對高頻信(xin)号(hao)的(de)靈敏(min)度,同時提(ti)高了(le)對電(dian)磁場幹擾(rao)的适(shi)應能(neng)力。因(yin)被測電(dian)容量值(zhi)很小(xiao),隻(zhi)有13pF左右(you),故采(cai)取充放電(dian)法測(ce)量電容，與(yu)傳統方法(fa)不同(tong),本文(wen)采用(yong)的是(shi)一種抗寄生幹(gan)擾的微小(xiao)電容測量(liang)電(dian)路(lu)。
 
4智能(neng)化設(she)計
4.1流(liu)量計算與(yu)刻度換算(suan)
　　前已提(ti)及公式(1)中流量(liang)Q與浮子(zi)高度(du)h間存(cun)在非線性(xing)關(guan)系;另外(wai),如被測介質密度、溫(wen)度、壓力與(yu)标定(ding)介質(zhi)不同(tong),浮子處(chu)于(yu)同一(yi)高度時,所(suo)反映(ying)出的(de)流量(liang)值并(bing)不相(xiang)同(tong),爲(wei)提高(gao)計算(suan)精(jing)度及自(zi)動完成刻(ke)度換(huan)算,引入計(ji)算機(ji)技術,改(gai)變了傳(chuan)統的(de)金屬管浮(fu)子流量計必須(xu)根據(ju)被(bei)測介質(zhi)的密(mi)度進(jin)行逐(zhu)台設計制造,或(huo)在量程(cheng)範(fan)圍滿足工(gong)況(kuang)條(tiao)件時(shi),現場通(tong)過(guo)人工(gong)方法進(jin)行刻度(du)換算(suan)的狀況，智能化(hua)水平得到(dao)較大提高。
　　理論.上液(ye)體與氣體(ti)流量測量的密度修正(zheng)公式分(fen)别如(ru)下:
4.1.1液體流(liu)量的修(xiu)正(zheng)公式(shi)可由(you)流(liu)量(liang)方程(1)導出(chu)被
　　測(ce)液體(ti)密度(du)不同于标(biao)定水(shui)時的流量(liang)修正公式(shi):
 
4.2硬件設計(ji)
　　智(zhi)能信号(hao)處理器的硬件(jian)原理(li)如(ru)圖7所示(shi),其核(he)心(xin)部(bu)件爲(wei)美國(guo)某(mou)公(gong)司的(de)PIC單片機,其内部(bu)集成了ROM、RAM、定時器(qi)、數據(ju)采(cai)集器、看(kan)門狗(gou)電路(lu)、上電(dian)複位(wei)電路(lu),可節(jie)省大(da)量外圍電(dian)路。
 
4.3軟(ruan)件設計
　　軟(ruan)件設(she)計流程如(ru)圖8所示。可實現(xian)雙排(pai)8位(wei)LCD同時顯(xian)示累積流(liu)量和瞬時(shi)流量;通過(guo)儀表界面3個按鍵可(ke)将(jiang)标定曲(qu)線系數、小(xiao)數位數、被測(ce)介質的(de)密度、溫(wen)度(du)、壓力(li)、壓縮(suo)系數等工(gong)況參(can)數直(zhi)接置(zhi)入單(dan)片機(ji),自動(dong)完成(cheng)刻度換算(suan),實現流量的正(zheng)确測(ce)量,給不同要求用戶的使(shi)用帶(dai)來(lai)極(ji)大方(fang)便,無(wu)需(xu)逐台設(she)計制造,與(yu)國際(ji)同類(lei)研究成果(guo)相比(bi)較,顯示出(chu)更強(qiang)的智能化(hua)水平。
 
5樣機(ji)标定
　　PIC單片(pian)機與錐管(guan)中内嵌磁(ci)鋼的浮子(zi)、電容(rong)角位(wei)移傳感(gan)器、硬件信号(hao)處理(li)電路(lu)相配(pei)合構(gou)成3台(15mm、50mm、80mm口徑(jing))電容(rong)角位(wei)移式金屬管浮子流(liu)量(liang)計樣機(ji)。該樣(yang)機(ji)在(zai)如圖(tu)9所示(shi)的實(shi)驗标(biao)定裝置(zhi)上進行(hang)标定，高(gao)位(wei)水塔(ta)高36m,實現穩(wen)定水(shui)壓，以(yi)保持流量(liang)恒定。标準表選擇電磁流(liu)量計(ji),誤差爲0.2%。标(biao)定步(bu)驟:
 
1)利(li)用(yong)彙編語(yu)言設計(ji)浮子流(liu)量計專用(yong)标定(ding)軟件。标定(ding)點6點(dian),每點(dian)3次(ci),正反行(hang)程各5次,記(ji)錄樣(yang)機瞬(shun)時電壓采(cai)樣值(zhi)(V/s)與标(biao)準表瞬時流量(liang)值(m³/h),對(dui)6個标(biao)定(ding)點(dian)處的(de)平均值(zhi)樣本進(jin)行3階拟(ni)合(he),得到(dao)V/s-m³/h的函(han)數關(guan)系(4),即(ji)Q=Q(Vout),通式爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将(jiang)第一步得到(dao)的函數(shu)關系寫入(ru)單片(pian)機中,使得樣機(ji).顯示輸出爲瞬時流量m³/h和累計(ji)流量(liang)m3,再次标定(ding),标定(ding)點6點(dian),正反(fan)行程(cheng)各作3次,對(dui)比樣(yang)機與标準(zhun)表的瞬(shun)時流量(liang),分析樣(yang)機誤差(cha),标定(ding)數據(ju)見表(biao)1。 15mm、50mm、80mm口徑(jing)的樣(yang)機标(biao)定時，其流(liu)量範(fan)圍分(fen)别爲(wei)0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程(cheng)比爲10:1。
　　滿度相對(dui)誤差(cha)計算公式(shi)爲:
 
 
6結論(lun)
　　電(dian)容角(jiao)位移(yi)式智能金(jin)屬管浮子流量(liang)計研(yan)究(jiu)結果表(biao)明:
　　本文(wen)依據李(li)景鶴等(deng)推導出(chu)的浮子流量計普遍(bian)流(liu)量方程(cheng),适用(yong)于氣(qi)體、液體測(ce)量,并兼顧(gu)浮子形(xing)狀(zhuang)影響,從而(er)爲本文研(yan)究般溪子流量(liang)計測(ce)量精(jing)度的(de)提高提(ti)供(gong)了理論保(bao)障(zhang);
　　無(wu)需根(gen)據被測介質的(de)密度、使用工況(kuang)條件和流(liu)量範圍進行(hang)逐(zhu)台設(she)計制造,将(jiang)給生(sheng)産廠(chang)商和使用(yong)部門帶(dai)來極大的方便;
　　改變了(le)國内(nei)金屬管浮(fu)子流(liu)量計引進(jin)産品和國(guo)産産(chan)品中(zhong)因采用機(ji)械結構(gou)進(jin)行流量計(ji)算(suan)而導緻(zhi)精度(du)較低的狀況;
　　用電容角位(wei)移式傳(chuan)感(gan)器測(ce)量浮(fu)子(zi)位移,配(pei)合PIC單片機組成的新(xin)型(xing)智能金(jin)屬管浮子流量(liang)計,運(yun)用實(shi)驗标(biao)定數據的方法(fa)得到該(gai)流量計(ji)瞬時流量(liang)的精度爲(wei)1級(ji),通過對(dui)這3種(zhong)口徑的樣機連(lian)續(xu)運行數(shu)月後重(zhong)新标定,精度(du)并未發生(sheng)變化(hua),證實(shi)了該(gai)儀表(biao)的可靠性(xing)。

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