摘要：基(ji)于浮子流量(liang)計 普遍流量(liang)方程口及電(diàn)容角位移式(shi)傳感器檢測(cè)機🌈理的新型(xíng)智能金屬管(guǎn)浮子流量計(ji) ,實現了對流(liu)量的正确測(ce)量。本文詳細(xì)介紹該流量(liang)計計量原🌈理(lǐ)、轉換器的設(shè)計、信号的智(zhì)能化處理、樣(yang)機标定及誤(wu)差分析。
1引言(yán)
　　流量的正确(què)測量在節能(neng)降耗、經濟核(hé)算、自動控制(zhi)💛等方面有着(zhe)廣泛應用。在(zai)中低流速流(liu)量測量中浮(fú)👅子流量計🔴起(qǐ)着非常重要(yao)的作用。
　　目前(qián)國内金屬管(guan)浮子流量計(ji)的引進産品(pǐn)和國産産品(pin)💰中,理論上主(zhǔ)要依據w.Miler的研(yan)究成果甲,實(shí)際設計中又(you)采用🌈機械結(jié)構進行流量(liàng)計算,由此而(ér)存在三⭕方面(miàn)的不足,首先(xiān),理論♉上存在(zài)一定缺陷;其(qi)次,是機✍️械結(jie)構無♋法進行(hang)流量的正确(que)🙇‍♀️計量;第三,必(bì)須根據🎯被測(ce)介質的密度(dù)、工況條件及(ji)流量範圍進(jin)行逐台設計(ji)制造,給生産(chǎn)廠和使用部(bu)門帶來不便(bian)。
2計量原理與(yǔ)整機設計
2.1計(ji)量原理
　　如圖(tu)1所示,浮子放(fàng)于垂直的錐(zhui)形管道中,随(sui)着流體速度(dù)🚶‍♀️的✔️變化而上(shàng)下移動。浮子(zǐ)受重力、浮力(lì)、迎流壓差阻(zu)力及粘性應(yīng)力💚的作♉用,當(dang)浮子在垂直(zhí)方向上合力(li)爲零時達到(dào)平衡☎️狀态,浮(fu)子處于某一(yi)穩定的位置(zhì)。當來流速度(dù)變化時,浮子(zǐ)向下與向上(shang)的作用力達(da)到一個新的(de)平衡狀💚态,浮(fú)子又處于一(yi)個新的穩定(dìng)位置。
 
　　在針對(duì)浮子流量計(ji)理論推導流(liú)量公式的分(fen)析過程中♋,本(běn)文既沒有采(cǎi)納早期的J.C.Whitwell和(hé)D.S.Plumb的理論推導(dǎo)成果,也沒有(you)采納現今以(yǐ)W.Miler的研👨‍❤️‍👨究成果(guo)[2爲代表的流(liu)量公式,因爲(wèi)兩者都是根(gen)據經典伯努(nǔ)力方程推導(dao)得到的浮子(zǐ)截🌍流壓差與(yǔ)流體連續方(fāng)程聯解,其中(zhong),Whitwell和Plumb未考慮工(gōng)作浮子受力(lì)平衡關系,因(yīn)此未🐅獲得既(ji)反映流體特(te)性又反映浮(fu)子特性的通(tong)用流量方程(cheng);Miller雖然考慮了(le)工作浮子受(shòu)力平衡關系(xi),但在聯解推(tuī)導中忽略了(le)浮子自身高(gao)🐅度的影響，他(ta)推出的流量(liàng)方程[43與經典(diǎn)類比推理法(fǎ)中導得的方(fāng)程完全相同(tóng)💋。爲提‼️高浮子(zi)流量計的測(cè)量精度,本文(wen)依照李景鶴(he)等1994年推導出(chu)的浮子流量(liàng)計普遍流量(liàng)方程中設計(jì)出一定流量(liang)範圍的金屬(shu)管浮子流量(liàng)計,并通過第(di)5部分的實際(ji)樣機标定進(jin)--步證實了該(gāi)方程的科學(xue)性。該流量方(fang)程适用于氣(qì)體和液體的(de)測量,同時又(yòu)适😘用于不同(tong)形狀的浮子(zǐ)㊙️,公式爲:
 
　　式中(zhōng)Qv一體積流量(liang)(m/s)
α一流量系數(shù)
DD一标尺零點(dian)處錐形管直(zhi)徑
h一浮子高(gāo)度位置
φ一錐(zhuī)形管錐半角(jiǎo)
Vf一浮子體積(ji)
ρf一浮子材料(liao)密度
ρ一流體(tǐ)密度
Sf一浮子(zǐ)垂直于流向(xiàng)的最大截面(miàn)積
β一浮子形(xing)狀因子
β定義(yi)爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式中△h一浮(fu)子節流幾何(he)高度
　　可見,幾(jǐ)何相似的浮(fú)子,β值相同。
　　分(fèn)析(1)式可知,對(duì)某--特定結構(gòu)的浮子流量(liàng)計，即錐管的(de)錐度與浮子(zi)形狀一定,浮(fú)子的流量Qv與(yǔ)浮子高度h之(zhi)間爲非線性(xing)關系。早期的(de)浮子流量計(jì)用減小錐度(du)的方法來降(jiang)低二次項的(de)影響，要達到(dao)一定的流量(liang)測量量🏒程必(bi)需延長錐管(guan)的🏃🏻長度,從而(ér)導緻加工困(kun)難及安裝不(bú)便,目前通行(háng)的金屬管☎️浮(fu)子流量計☀️總(zong)高度趨向于(yú)250mm,錐管高度爲(wèi)60~70mm,二次項引入(rù)的非線性已(yǐ)不可忽略，采(cai)用某種方💃法(fǎ)的非線⚽性機(ji)械結構進🍉行(hang)流量運算顯(xiǎn)然不可能具(jù)有精度高的(de)計算結果。本(běn)文用計算機(ji)計算流‼️量,極(ji)大地提高了(le)計算精度,同(tong)時提供良好(hao)的人機界面(mian)。
2.2整機結構設(shè)計
 
　　電容角位(wei)移式金屬管(guǎn)浮子流量計(ji)測量原理圖(tu)示于圖🤩2,由㊙️傳(chuan)💘感器、轉換器(qì)、智能信号處(chù)理器三部分(fen)組💔成。由于浮(fu)子内嵌磁鋼(gāng),當浮子.上下(xià)移動時，磁鋼(gang)同時.上下移(yi)動,與錐管外(wai)一端嵌🆚有小(xiao)磁鋼的機械(xiè)連杆機構形(xíng)成内外磁鋼(gāng)磁路耦合,内(nei)磁鋼的運動(dòng)将🤟引起外磁(ci)鋼👅的位移,從(cong)而引起連杆(gǎn)轉動一定角(jiǎo)度0,将浮子直(zhi)線位☔移轉換(huàn)成角度的位(wèi)移,本文利💃🏻用(yong)電容角位移(yi)傳感器㊙️将角(jiǎo)度📐的變化轉(zhuǎn)換爲電容量(liàng)值C的變化,再(zai)經信号處🏃🏻理(lǐ)電路将電容(róng)值🍉的♊變化轉(zhuan)化爲電壓信(xin)号Vout最終使檢(jiǎn)測電路的輸(shū)出信号幅值(zhí)反映流體瞬(shùn)時流量的大(dà)小,有:
 
　　轉換器(qi)爲一端嵌有(yǒu)磁鋼的機械(xie)連杆機構和(he)電容角位移(yí)式傳感器組(zǔ)成,智能信号(hao)處理器由單(dan)片機及外㊙️圍(wei)電路組成。
3轉(zhuan)換器的設計(ji)
3.1角位移敏感(gan)元件設計
　　本(ben)文給出一種(zhong)具有較好魯(lu)棒性的精度(du)高的電容角(jiao).位✌️移傳🙇‍♀️感器(qì)。遵從以下設(shè)計方法,使得(dé)傳統的電容(rong)式角位🚶‍♀️移傳(chuan)感器的拓👌撲(pū)結構及測量(liang)原理發生根(gen)本性轉變。
1)因(yin)正弦激勵複(fu)雜，價格昂貴(guì),因此去除傳(chuán)統電容式角(jiao)❄️位移傳感👅器(qi)所需的正弦(xian)激勵電壓,采(cǎi)用方波脈沖(chong)激勵，從而避(bi)免了諧波幹(gàn)擾,放大不匹(pi)配及相誤差(cha);
2)爲盡可能完(wán)全實現電磁(ci)屏蔽功能,傳(chuán)感器有效面(miàn)🐕積周圍設有(yǒu)保護環和保(bao)護面與傳感(gan)器地連接。圖(tú)3爲電容敏感(gan)元件拓撲結(jie)🌏構示意圖。主(zhǔ)要由3個同.軸(zhou)且彼此平行(háng)的極闆組成(cheng):
 
●作爲接收極(jí)的固定且爲(wei)一整體的導(dao)電圓盤極闆(pǎn)4;
●作爲轉動極(jí)的金屬分瓣(ban)極闆5;
●作爲發(fā)射極的固定(dìng)分瓣式導電(dian)圓盤極闆6。
　　這(zhe)3個極闆中心(xin)通過轉軸1,轉(zhuǎn)軸裝有兩個(ge)滾動軸承，裝(zhuāng)配時,保證動(dòng)極闆和轉軸(zhóu)一起轉動,4.5.6相(xiang)對間隙應盡(jin)可能小。将發(fa)👨‍❤️‍👨射極闆分割(gē)成面積相等(deng)但彼此間👈電(diàn)氣隔💰離的8個(gè)👅可作爲發射(she)極的單元s1~s8,每(mei)瓣近似爲45°,相(xiang)鄰兩片間隙(xi)盡可能小,以(yi)獲得較大的(de)✨電容量;接收(shou)極闆接收來(lai)自發射極闆(pan)的感生電荷(hé),設計中，發射(she)與接收極闆(pǎn)内部和外部(bù)都🌍有接地保(bao)護環,以屏蔽(bi)電磁幹擾,如(rú)圖2中2、3所示;轉(zhuan)動極闆由4個(ge)角度相同(45°)間(jian)隔相同(45°)的金(jīn)屬葉片組成(chéng)。動極闆葉片(pian)轉動的角度(dù)θ決定了發射(she)極闆接收極(ji)闆之間8個電(diàn)容值及相⛷️應(yīng)感生電荷的(de)大小。即在一(yī)定激勵脈沖(chong)💞信号模:式的(de)作用下發射(she)極闆和接收(shōu)極闆之間産(chǎn)生電容。
　　根據(jù)設計需要,浮(fu)子行程決定(ding)機械連杆的(de)實際轉🙇‍♀️角🔴θ相(xiang)對變化範圍(wei)約爲30°,因此，考(kao)慮電場的邊(bian)緣效應,設計(jì)時應有一🎯定(ding)冗餘,故将電(dian)容敏感元件(jian)設計成能夠(gòu)對45°的絕對角(jiǎo)位移㊙️進行檢(jiǎn)測即可。同時(shí)爲提高💚檢測(ce)幅值👌,将s1.s3、s5、s7電氣(qì)連接,s2、s4、s6、s8電氣連(lian)接,檢測幅值(zhi)提高4倍。本文(wen)研制的角位(wei)移傳感器的(de)機械連🍉杆轉(zhuan)角(約30°)小于45°,若(ruo)僅在s1.s3、s5、s7施🐉加激(ji)勵電壓,則45°内(nèi)🈲極闆間電容(róng)模型如圖4所(suǒ)示，360°内等效計(ji)算模型可簡(jiǎn)化爲圖5。
 
3.2信号(hào)處理
　　分析電(diàn)容等效電路(lù)可知,簡化計(jì)算模型實際(jì)上忽略了✨電(dian)場的🛀🏻邊緣效(xiao)應,故通過(4)式(shi)簡化計算的(de)電容值與🆚真(zhēn)實值應有一(yi)定誤差。本文(wen)采用電容測(cè)量電路對其(qí)電容實際值(zhí)進行檢測。圖(tú)6爲信㊙️号處理(li)部分原理框(kuang)圖。傳感器電(diàn)子線路前端(duan)爲一電☎️荷檢(jiǎn)測器,以降低(di)電路對高頻(pín)信号的靈敏(mǐn)度,同時提高(gāo)了對😍電磁場(chang)幹擾⁉️的适應(yīng)能力。因被測(cè)電容量值很(hen)☀️小,隻有13pF左右(you),故采取充放(fang)電法測量電(dian)容，與傳統方(fang)法不同♈,本文(wen)采用的是一(yī)❓種抗寄生幹(gàn)擾的微小電(dian)容測量電路(lu)。
 
4智能化設計(ji)
4.1流量計算與(yǔ)刻度換算
　　前(qian)已提及公式(shi)(1)中流量Q與浮(fu)子高度h間存(cún)在非線性💃關(guan)系;另外🚩,如被(bèi)測介質密度(du)、溫度、壓力與(yu)标定介質不(bu)同,浮子處于(yu)同一❤️高度時(shi),所反映出的(de)流量值并不(bú)相同🈲,爲提高(gāo)計算精度及(ji)自動完成刻(ke)度換算,引入(rù)計算機👌技術(shù),改變了傳統(tǒng)的金屬管浮(fu)子流量計🔅必(bì)須根據被測(cè)介質的密度(dù)進行逐台設(shè)計制造,或在(zai)量程範圍滿(mǎn)足工況條件(jian)時,現場通過(guò)人工方法🔆進(jin)行刻度換算(suan)的狀況，智能(néng)化水平得到(dào)較大提高。
　　理(lǐ)論.上液體與(yǔ)氣體流量測(ce)量的密度修(xiū)正公式分👄别(bié)👨‍❤️‍👨如下:
4.1.1液體流(liu)量的修正公(gong)式可由流量(liang)方程(1)導出被(bèi)
　　測液體密度(dù)不同于标定(dìng)水時的流量(liàng)修正公式:
 
4.2硬(ying)件設計
　　智能(néng)信号處理器(qì)的硬件原理(li)如圖7所示,其(qí)核心部件爲(wèi)美國某公司(sī)的PIC單片機,其(qi)内部集成了(le)ROM、RAM、定時器、數據(jù)采集器、看門(mén)狗📧電路、上電(diàn)複位電路,可(kě)節省大量外(wài)圍電路。
 
4.3軟件(jian)設計
　　軟件設(she)計流程如圖(tu)8所示。可實現(xian)雙排8位LCD同時(shi)顯示累積⭐流(liu)量和瞬時流(liú)量;通過儀表(biao)界面3個按鍵(jian)可将♉标定👌曲(qu)線系數、小數(shu)位數、被測介(jie)質的密度、溫(wēn)度、壓力、壓縮(suo)系數等㊙️工況(kuang)參數直接置(zhi)入單片機,自(zi)動完㊙️成刻度(du)換算,實現流(liú)量的正确🌈測(cè)量,給不同要(yao)求用戶的使(shǐ)用帶來極大(da)方便,無需逐(zhu)台設計制造(zào),與國際同類(lei)研究成果相(xiàng)比較,顯示出(chu)更強的智能(neng)化水平。
 
5樣機(jī)标定
　　PIC單片機(ji)與錐管中内(nèi)嵌磁鋼的浮(fú)子、電容角位(wei)移傳感器、硬(ying)件信💋号處理(lǐ)電路相配合(hé)構成3台(15mm、50mm、80mm口徑(jìng))電容角位移(yí)式金屬管浮(fu)子流量計樣(yàng)機。該樣機在(zài)如圖9所示的(de)實驗标👌定裝(zhuang)置上進行标(biao)定，高位水塔(tǎ)高36m,實現穩定(ding)水壓，以保持(chí)流量恒定🔞。标(biāo)準表選🍉擇電(dian)磁流量計,誤(wu)差爲0.2%。标定步(bù)驟:
 
1)利用彙編(biān)語言設計浮(fu)子流量計專(zhuan)用标定軟件(jian)。标🏃🏻定點6點,每(měi)點3次,正反行(hang)程各5次,記錄(lù)樣機瞬時電(diàn)壓采樣值(V/s)與(yu)标準表瞬時(shi)流量值(m³/h),對6個(gè)标定點處的(de)平均值樣本(běn)進行3階拟合(he),得到V/s-m³/h的函數(shu)關系(4),即Q=Q(Vout),通式(shi)爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将第一步(bù)得到的函數(shù)關系寫入單(dan)片機中,使得(de)樣機.顯示輸(shu)出爲瞬時流(liú)量m³/h和累計流(liu)量m3,再次标定(dìng),标🏃🏻‍♂️定點6點,正(zheng)反行程各✂️作(zuo)3次✔️,對比樣機(ji)與标準表的(de)瞬時流量,分(fèn)析樣機誤差(cha),标定數✌️據見(jian)表1。 15mm、50mm、80mm口徑的樣(yàng)機标定時，其(qí)流量範圍分(fen)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程比(bǐ)爲10:1。
　　滿度相對(dui)誤差計算公(gōng)式爲:
 
 
6結論
　　電(dian)容角位移式(shi)智能金屬管(guan)浮子流量計(ji)研究結果表(biǎo)明:
　　本文依據(jù)李景鶴等推(tui)導出的浮子(zi)流量計普遍(bian)流量方🌈程♻️,适(shì)用于氣體、液(ye)體測量,并兼(jian)顧浮子形狀(zhuang)影響,從而爲(wei)🈲本文研究般(ban)溪子流量計(jì)測量精度的(de)提👄高提供了(le)理論㊙️保障;
　　無(wu)需根據被測(cè)介質的密度(dù)、使用工況條(tiao)件和流量範(fàn)圍進㊙️行逐台(tái)設計制造,将(jiāng)給生産廠商(shāng)和使用部門(men)帶來極大的(de)方便;
　　改變了(le)國内金屬管(guan)浮子流量計(ji)引進産品和(hé)國産産品中(zhōng)因⛱️采👉用機械(xie)結構進行流(liu)量計算而導(dǎo)緻精度較低(dī)的狀況🌈;
　　用電(diàn)容角位移式(shi)傳感器測量(liang)浮子位移,配(pèi)合PIC單片機組(zǔ)成的新型智(zhi)能金屬管浮(fu)子流量計,運(yun)用實驗标定(dìng)數據的方法(fa)得📧到該流量(liàng)計瞬時流量(liàng)的精度爲1級(jí),通過對這3種(zhong)口徑的樣機(jī)♉連續運行數(shù)月後重☎️新标(biao)定,精💃度并未(wei)發生變化,證(zheng)實了該儀表(biǎo)的可靠☁️性。

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