摘要：基(ji)于浮子(zi)流量計(ji) 普遍流(liu)量方程(cheng)口及電(dian)容角位(wei)移式傳(chuan)感器檢(jian)測機理(li)的新型(xing)智能金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計 ,實現(xian)了對流(liu)量的正(zheng)确測量(liang)。本文詳(xiang)細介紹(shao)該流量(liang)計🏃‍♀️計量(liang)原♋理、轉(zhuan)換器的(de)設計、信(xin)号的智(zhi)能化處(chu)理、樣機(ji)标定及(ji)誤差😄分(fen)析✔️。
1引言(yan)
　　流量的(de)正确測(ce)量在節(jie)能降耗(hao)、經濟核(he)算、自動(dong)控制等(deng)方面有(you)着廣泛(fan)應用。在(zai)中低流(liu)速流量(liang)測量中(zhong)浮🙇🏻子流(liu)量計起(qi)着非常(chang)重要的(de)作用。
　　目(mu)前國内(nei)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)引進産(chan)品和國(guo)産㊙️産品(pin)中❓,理🚶論(lun)上主要(yao)依據w.Miler的(de)研究成(cheng)果甲,實(shi)際設計(ji)中又采(cai)用機械(xie)✨結構🌂進(jin)行流量(liang)計算,由(you)此而存(cun)在三方(fang)面的不(bu)足,首先(xian),理論上(shang)存在一(yi)定缺🔞陷(xian);其次,是(shi)機械結(jie)構無法(fa)進行流(liu)量的正(zheng)确🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計量(liang);第三,必(bi)須根據(ju)被測介(jie)質的密(mi)度、工況(kuang)條件及(ji)流量範(fan)圍進行(hang)逐台設(she)計制造(zao),給生産(chan)廠和使(shi)用部門(men)帶來不(bu)便。
2計量(liang)原理與(yu)整機設(she)計
2.1計量(liang)原理
　　如(ru)圖1所示(shi),浮子放(fang)于垂直(zhi)的錐形(xing)管道中(zhong),随着流(liu)體速度(du)⁉️的變化(hua)而上下(xia)移動。浮(fu)子受重(zhong)力、浮力(li)、迎流壓(ya)差阻力(li)及粘性(xing)應力的(de)作用,當(dang)浮子在(zai)垂直方(fang)向上合(he)力爲零(ling)時達❓到(dao)平衡狀(zhuang)态,浮子(zi)處于🔞某(mou)一穩定(ding)的🈲位置(zhi)。當來流(liu)速度變(bian)化時,浮(fu)子向下(xia)與向上(shang)的作用(yong)力達到(dao)一個新(xin)的平衡(heng)狀态,浮(fu)子又處(chu)于一個(ge)新的💯穩(wen)定位置(zhi)。
 
　　在針對(dui)浮子流(liu)量計理(li)論推導(dao)流量公(gong)式的分(fen)析過程(cheng)中☁️,本文(wen)既沒有(you)采納早(zao)期的J.C.Whitwell和(he)D.S.Plumb的理論(lun)推導成(cheng)果🙇‍♀️,也沒(mei)有采納(na)現今以(yi)W.Miler的研究(jiu)成果[2爲(wei)代表的(de)流量公(gong)式,因爲(wei)兩者都(dou)💛是根據(ju)❄️經典伯(bo)努力方(fang)程推導(dao)得到的(de)浮子截(jie)流壓差(cha)與流體(ti)連續方(fang)程聯解(jie)🚶,其中,Whitwell和(he)Plumb未🔅考慮(lü)工作浮(fu)🛀🏻子受力(li)平衡關(guan)系,因此(ci)未🏃🏻‍♂️獲得(de)既反映(ying)流體特(te)性又反(fan)映浮子(zi)特性的(de)通用流(liu)量方程(cheng);Miller雖然考(kao)慮了工(gong)作浮子(zi)🔞受力平(ping)衡關系(xi),但在聯(lian)解推導(dao)中忽❓略(lue)了浮子(zi)自身高(gao)🚶‍♀️度的影(ying)響，他推(tui)出的流(liu)量方程(cheng)[43與經典(dian)類✍️比推(tui)理法中(zhong)🈲導得的(de)方程完(wan)全相同(tong)。爲提高(gao)浮子流(liu)量計的(de)測量精(jing)度,本文(wen)依照李(li)景鶴等(deng)1994年推導(dao)出的浮(fu)子流量(liang)計普遍(bian)🛀🏻流量方(fang)程中設(she)計出一(yi)定流量(liang)範圍的(de)金屬管(guan)浮子流(liu)量計,并(bing)通過第(di)5部分🎯的(de)實際樣(yang)✂️機标定(ding)進--步證(zheng)實了該(gai)方程的(de)🔴科學性(xing)。該♊流量(liang)方程适(shi)用♉于氣(qi)體和液(ye)體的測(ce)量,同時(shi)又适🌈用(yong)♻️于不同(tong)形狀的(de)浮子,公(gong)式爲:
 
　　式(shi)中Qv一體(ti)積流量(liang)(m/s)
α一流量(liang)系數
DD一(yi)标尺零(ling)點處錐(zhui)形管直(zhi)徑
h一浮(fu)子高度(du)位置
φ一(yi)錐形管(guan)錐半角(jiao)
Vf一浮子(zi)體積
ρf一(yi)浮子材(cai)料密度(du)
ρ一流體(ti)密度
Sf一(yi)浮子垂(chui)直于流(liu)向的最(zui)大截面(mian)積
β一浮(fu)子形狀(zhuang)因子
β定(ding)義爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式(shi)中△h一浮(fu)子節流(liu)幾何高(gao)度
　　可見(jian),幾何相(xiang)似的浮(fu)子,β值相(xiang)同。
　　分析(xi)(1)式可知(zhi),對某--特(te)定結構(gou)的浮子(zi)流量計(ji)，即錐管(guan)的✏️錐度(du)與浮子(zi)形狀一(yi)定,浮子(zi)的流量(liang)Qv與浮子(zi)高度⁉️h之(zhi)間爲非(fei)線性關(guan)系。早期(qi)的浮子(zi)流量計(ji)用減小(xiao)錐度的(de)方🛀法來(lai)降低二(er)次項的(de)影響，要(yao)達到一(yi)定的流(liu)量測量(liang)量程必(bi)需延長(zhang)錐管的(de)🤩長度,從(cong)而導緻(zhi)加工困(kun)難及安(an)裝不便(bian),目前通(tong)行的金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計😍總高(gao)度趨向(xiang)🔞于🏃🏻‍♂️250mm,錐管(guan)高度爲(wei)60~70mm,二🚩次項(xiang)引入的(de)非線性(xing)已不可(ke)忽🌈略，采(cai)用某種(zhong)方法的(de)非線性(xing)機械結(jie)構進👅行(hang)流量運(yun)算顯然(ran)不可能(neng)具有精(jing)度高的(de)計算結(jie)果。本文(wen)用計算(suan)機計算(suan)流量,極(ji)大地提(ti)高了計(ji)算🈲精度(du),同時提(ti)供良好(hao)的人機(ji)界面。
2.2整(zheng)機結構(gou)設計
 
　　電(dian)容角位(wei)移式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計測量(liang)原理圖(tu)示🚶‍♀️于❌圖(tu)2,由☔傳感(gan)㊙️器、轉換(huan)器、智能(neng)信号處(chu)理器三(san)部分組(zu)⛷️成。由☎️于(yu)浮😄子内(nei)✨嵌磁鋼(gang),當浮子(zi).上下移(yi)動時，磁(ci)鋼同🆚時(shi).上下移(yi)動,與錐(zhui)管外一(yi)端嵌有(you)小磁鋼(gang)的機械(xie)連杆機(ji)構形成(cheng)内外磁(ci)鋼磁路(lu)耦合,内(nei)磁鋼的(de)運動将(jiang)引起外(wai)磁鋼的(de)位移,從(cong)而✍️引起(qi)連杆轉(zhuan)動一定(ding)角度0,将(jiang)浮子直(zhi)線位🎯移(yi)轉換成(cheng)角度的(de)位移,本(ben)文利用(yong)電容角(jiao)位移傳(chuan)感器将(jiang)角度的(de)變化轉(zhuan)換爲電(dian)容量值(zhi)C的🌈變化(hua),再經信(xin)号處理(li)電路将(jiang)電容值(zhi)的變化(hua)轉化爲(wei)電壓信(xin)号Vout最終(zhong)使檢測(ce)電路的(de)輸出信(xin)号幅值(zhi)反⭐映流(liu)體瞬時(shi)流量的(de)大小,有(you):
 
　　轉換器(qi)爲一端(duan)嵌有磁(ci)鋼的機(ji)械連杆(gan)機構和(he)電容角(jiao)位移式(shi)傳感器(qi)組成,智(zhi)能信号(hao)處理器(qi)由單片(pian)機🔞及外(wai)圍電路(lu)組成。
3轉(zhuan)換器的(de)設計
3.1角(jiao)位移敏(min)感元件(jian)設計
　　本(ben)文給出(chu)一種具(ju)有較好(hao)魯棒性(xing)的精度(du)高的電(dian)容角.位(wei)😘移傳感(gan)器。遵從(cong)以下設(she)計方法(fa),使得傳(chuan)統的電(dian)容式角(jiao)位移傳(chuan)❗感器🌍的(de)拓撲結(jie)構及測(ce)量原理(li)發生✏️根(gen)本性🔴轉(zhuan)變。
1)因正(zheng)弦激勵(li)複雜，價(jia)格昂貴(gui),因此去(qu)除傳統(tong)電容式(shi)角位移(yi)傳感器(qi)所需的(de)正弦激(ji)勵電壓(ya),采用方(fang)波脈沖(chong)激勵，從(cong)⭕而避🏒免(mian)了♊諧波(bo)幹擾,放(fang)大不匹(pi)配及相(xiang)誤✊差;
2)爲(wei)盡可能(neng)完全實(shi)現電磁(ci)屏蔽功(gong)能,傳感(gan)器有效(xiao)面積🔞周(zhou)圍設有(you)保護環(huan)和保護(hu)面與傳(chuan)感器地(di)連接。圖(tu)3爲電容(rong)敏感元(yuan)件拓撲(pu)結構示(shi)意圖。主(zhu)要由3個(ge)同.軸且(qie)彼此平(ping)行的極(ji)闆組成(cheng):
 
●作爲接(jie)收極的(de)固定且(qie)爲一整(zheng)體的導(dao)電圓盤(pan)極闆4;
●作(zuo)爲轉動(dong)極的金(jin)屬分瓣(ban)極闆5;
●作(zuo)爲發射(she)極的固(gu)定分瓣(ban)式導電(dian)圓盤極(ji)闆6。
　　這3個(ge)極闆中(zhong)心通過(guo)轉軸1,轉(zhuan)軸裝有(you)兩個滾(gun)動軸承(cheng)，裝📐配時(shi),保🈲證🙇‍♀️動(dong)極闆和(he)轉軸一(yi)起轉動(dong),4.5.6相對間(jian)隙應♻️盡(jin)可能小(xiao)。将發射(she)極闆分(fen)割成面(mian)積相等(deng)但彼此(ci)間電氣(qi)隔💜離的(de)8個可作(zuo)爲發射(she)極🈲的單(dan)元s1~s8,每瓣(ban)近似爲(wei)45°,相鄰兩(liang)片間隙(xi)盡可能(neng)小,以獲(huo)得較大(da)的電容(rong)量;接收(shou)極闆接(jie)收來自(zi)發射極(ji)☔闆的感(gan)生電荷(he),設計中(zhong)，發射與(yu)接收極(ji)闆内部(bu)和外部(bu)都有接(jie)地保護(hu)環,以屏(ping)蔽電磁(ci)幹擾,如(ru)圖2中2、3所(suo)示;轉動(dong)極闆由(you)4個角度(du)相同(45°)間(jian)隔相同(tong)(45°)的金屬(shu)葉💁片組(zu)成。動極(ji)闆葉片(pian)🚩轉動的(de)角度θ決(jue)定了發(fa)射極闆(pan)接收極(ji)闆之間(jian)8個電容(rong)值及相(xiang)應感生(sheng)電荷的(de)大小。即(ji)在一定(ding)激勵脈(mo)沖信号(hao)模:式🔴的(de)作用下(xia)發射極(ji)闆和接(jie)收極闆(pan)之間産(chan)生電容(rong)。
　　根據設(she)計需要(yao),浮子行(hang)程決定(ding)機械連(lian)杆的實(shi)際轉角(jiao)θ相🧑🏽‍🤝‍🧑🏻對變(bian)化🍉範圍(wei)約爲30°,因(yin)此，考慮(lü)電場的(de)邊緣效(xiao)應,設計(ji)時應有(you)一定冗(rong)餘,故将(jiang)電容敏(min)感元件(jian)設計成(cheng)能夠對(dui)45°的絕對(dui)角位移(yi)進行檢(jian)測即可(ke)☂️。同時爲(wei)提高檢(jian)測幅值(zhi),将s1.s3、s5、s7電氣(qi)連接,s2、s4、s6、s8電(dian)氣連接(jie),檢測幅(fu)❓值提高(gao)4倍🌈。本文(wen)研制的(de)角位移(yi)傳感器(qi)的機械(xie)連杆轉(zhuan)角(約30°)小(xiao)于45°,若僅(jin)在s1.s3、s5、s7施加(jia)激勵電(dian)壓,則45°内(nei)✉️極闆間(jian)電容模(mo)型如😍圖(tu)4所示，360°内(nei)💯等效計(ji)算模型(xing)可簡化(hua)爲圖5。
 
3.2信(xin)号處理(li)
　　分析電(dian)容等效(xiao)電路可(ke)知,簡化(hua)計算模(mo)型實際(ji)上忽略(lue)了電場(chang)的邊緣(yuan)效應,故(gu)通過(4)式(shi)簡化計(ji)算的電(dian)容值與(yu)真實值(zhi)應有一(yi)定誤差(cha)。本文采(cai)用電容(rong)測量電(dian)路對其(qi)電容實(shi)際值進(jin)行檢測(ce)。圖6爲信(xin)号處理(li)部分原(yuan)理框圖(tu)。傳感器(qi)電🌈子線(xian)路前端(duan)爲一電(dian)荷檢測(ce)器♋,以降(jiang)低電路(lu)對高頻(pin)信号的(de)靈敏度(du),同時提(ti)高了對(dui)電磁場(chang)幹擾的(de)适應能(neng)力。因被(bei)測電容(rong)量值很(hen)小,隻☔有(you)13pF左右,故(gu)采取充(chong)放電法(fa)測量電(dian)容，與傳(chuan)統方法(fa)不同,本(ben)文采用(yong)的是一(yi)種抗寄(ji)生幹擾(rao)的微✂️小(xiao)電容測(ce)量電路(lu)。
 
4智能化(hua)設計
4.1流(liu)量計算(suan)與刻度(du)換算
　　前(qian)已提及(ji)公式(1)中(zhong)流量Q與(yu)浮子高(gao)度h間存(cun)在非線(xian)性關🌏系(xi)💁;另外🐉,如(ru)被測介(jie)質密度(du)、溫度、壓(ya)力與标(biao)定介質(zhi)不同,浮(fu)子處于(yu)同一高(gao)度時,所(suo)反映出(chu)的流量(liang)值并不(bu)相同,爲(wei)提高計(ji)算精度(du)及自動(dong)完成刻(ke)度換算(suan),引入計(ji)算機🔴技(ji)術,改變(bian)👈了傳統(tong)的金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)必須根(gen)據被測(ce)介質的(de)密度進(jin)行逐台(tai)設計制(zhi)造,或在(zai)量程範(fan)圍滿足(zu)工況條(tiao)件時,現(xian)場通過(guo)人工方(fang)法進行(hang)刻度換(huan)算的❄️狀(zhuang)況，智能(neng)化水平(ping)得到較(jiao)大提高(gao)。
　　理論.上(shang)液體與(yu)氣體流(liu)量測量(liang)的密度(du)修正公(gong)式分别(bie)如下:
4.1.1液(ye)體流量(liang)的修正(zheng)公式可(ke)由流量(liang)方程(1)導(dao)出被
　　測(ce)液體密(mi)度不同(tong)于标定(ding)水時的(de)流量修(xiu)正公式(shi):
 
4.2硬件設(she)計
　　智能(neng)信号處(chu)理器的(de)硬件原(yuan)理如圖(tu)7所示,其(qi)核心部(bu)㊙️件爲美(mei)國某公(gong)司的PIC單(dan)片機,其(qi)内部集(ji)成了ROM、RAM、定(ding)時器、數(shu)據采集(ji)器、看門(men)狗電路(lu)、上電複(fu)位電路(lu),可節省(sheng)大量外(wai)圍電路(lu)。
 
4.3軟件設(she)計
　　軟件(jian)設計流(liu)程如圖(tu)8所示。可(ke)實現雙(shuang)排8位LCD同(tong)時顯示(shi)累積流(liu)量💔和😘瞬(shun)時流量(liang);通過儀(yi)表界面(mian)3個按鍵(jian)可将标(biao)定✌️曲線(xian)系數、小(xiao)數位數(shu)、被測介(jie)質的密(mi)度、溫度(du)、壓力、壓(ya)縮系數(shu)等👅工況(kuang)參數直(zhi)接⛱️置入(ru)單🏃‍♀️片機(ji),自動完(wan)成刻度(du)換算,實(shi)現流量(liang)的正确(que)測量,給(gei)不同要(yao)求用戶(hu)的使用(yong)帶來極(ji)大方便(bian),無需逐(zhu)台設計(ji)制造,與(yu)國際同(tong)類研究(jiu)成果相(xiang)比較,顯(xian)示🐅出更(geng)強的智(zhi)能化水(shui)平。
 
5樣機(ji)标定
　　PIC單(dan)片機與(yu)錐管中(zhong)内嵌磁(ci)鋼的浮(fu)子、電容(rong)角位移(yi)傳感器(qi)、硬件🎯信(xin)号處理(li)電路相(xiang)配合構(gou)成3台(15mm、50mm、80mm口(kou)徑)電容(rong)角位移(yi)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)樣機。該(gai)樣機在(zai)如圖9所(suo)示的實(shi)驗标定(ding)裝置❤️上(shang)進行标(biao)定，高位(wei)水塔高(gao)36m,實現穩(wen)定水壓(ya)，以保持(chi)📧流量恒(heng)定。标準(zhun)表選擇(ze)電磁流(liu)量計,誤(wu)差爲0.2%。标(biao)定步驟(zhou):
 
1)利用彙(hui)編語言(yan)設計浮(fu)子流量(liang)計專用(yong)标定軟(ruan)件。标定(ding)點🔞6點,每(mei)點3次,正(zheng)反行程(cheng)各5次,記(ji)錄樣機(ji)瞬時電(dian)壓采樣(yang)💁值(V/s)與标(biao)準🏃🏻‍♂️表瞬(shun)時流量(liang)值(m³/h),對6個(ge)标定點(dian)處的平(ping)均值樣(yang)本進行(hang)3階拟合(he),得到V/s-m³/h的(de)函數關(guan)系(4),即Q=Q(Vout),通(tong)式爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将(jiang)第一步(bu)得到的(de)函數關(guan)系寫入(ru)單片機(ji)中,使得(de)樣機🧑🏽‍🤝‍🧑🏻.顯(xian)📞示輸出(chu)爲瞬時(shi)流量m³/h和(he)累計流(liu)量m3,再次(ci)标定,标(biao)定點6點(dian),正反行(hang)程各作(zuo)3次,對比(bi)樣機與(yu)标準表(biao)的瞬🌐時(shi)流量,分(fen)析樣✔️機(ji)誤差,标(biao)定數據(ju)見表1。 15mm、50mm、80mm口(kou)徑的樣(yang)機标定(ding)時，其流(liu)量範圍(wei)分别爲(wei)0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程比(bi)爲10:1。
　　滿度(du)相對誤(wu)差計算(suan)公式爲(wei):
 
 
6結論
　　電(dian)容角位(wei)移式智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)研究結(jie)果🔅表明(ming):
　　本文依(yi)據李景(jing)鶴等推(tui)導出的(de)浮子流(liu)量計普(pu)遍流量(liang)方程㊙️,适(shi)用于氣(qi)體、液體(ti)測量,并(bing)兼顧浮(fu)子形狀(zhuang)影響,從(cong)而爲本(ben)文研究(jiu)般溪子(zi)流量計(ji)測量精(jing)度的提(ti)🚩高提供(gong)了理論(lun)保障;
　　無(wu)需根據(ju)被測介(jie)質的密(mi)度、使用(yong)工況條(tiao)件和流(liu)量範圍(wei)進⛷️行逐(zhu)台設計(ji)制造,将(jiang)給生産(chan)廠商和(he)使用部(bu)門帶來(lai)極大的(de)方便;
　　改(gai)變了國(guo)内金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)引進産(chan)品和國(guo)産✉️産品(pin)中因采(cai)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用機械(xie)結構進(jin)行流量(liang)計算而(er)導緻精(jing)度較🆚低(di)的狀況(kuang);
　　用電容(rong)角位移(yi)式傳感(gan)器測量(liang)浮子位(wei)移,配合(he)PIC單片🌈機(ji)組成的(de)新型智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji),運用實(shi)驗标定(ding)🏃🏻數據的(de)方法得(de)到該流(liu)量計瞬(shun)時流量(liang)的精度(du)爲1級,通(tong)過對這(zhe)💁3種口徑(jing)的樣機(ji)連續運(yun)行數月(yue)後重新(xin)标定,精(jing)度并未(wei)發生變(bian)化,證實(shi)了該儀(yi)表的可(ke)靠性。

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