摘要(yào)：基于浮子(zi)流量計 普(pu)遍流量方(fang)程口及電(dian)容角位移(yi)式傳感器(qì)檢測機理(li)的新型智(zhì)能金屬管(guǎn)浮子流量(liang)計 ,實現了(le)對流量的(de)正确測量(liàng)。本文詳細(xi)介紹該流(liu)量計計量(liàng)原理😘、轉換(huàn)器的設計(jì)、信号的智(zhì)能化處理(li)、樣機标定(ding)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(děng)方面有着(zhe)廣泛應用(yong)。在中低流(liu)速流量測(ce)量中浮子(zi)流量計起(qǐ)着💞非常重(zhong)要的作用(yong)。
　　目前國内(nei)金屬管浮(fú)子流量計(jì)的引進産(chan)品和國産(chan)産品中✉️,理(lǐ)論上主要(yào)依據w.Miler的研(yan)究成果甲(jia),實際設計(ji)🌈中又采用(yong)機械結構(gou)⚽進行流量(liàng)計算,由此(ci)而存在三(san)方面的不(bú)足,首先,理(li)論上存在(zai)一定缺陷(xiàn);其次,是機(ji)械結構無(wú)法進行流(liu)量的正确(què)♋計量;第三(sān),必須根據(jù)被測介質(zhì)的密度、工(gong)況條件及(jí)流量範圍(wéi)進行逐台(tai)設計制造(zao),給生🎯産廠(chang)和使用部(bu)門帶來不(bú)便。
2計量原(yuan)理與整機(ji)設計
2.1計量(liàng)原理
　　如圖(tú)1所示,浮子(zi)放于垂直(zhí)的錐形管(guan)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(zu)力及粘性(xìng)應力的作(zuò)用,當浮子(zi)在垂直方(fang)向上合力(lì)爲零時達(da)到平衡狀(zhuang)态,浮子處(chù)于某一穩(wen)定的🆚位置(zhì)。當來流速(su)度變化時(shí),浮子🌂向下(xià)與向上的(de)作用💰力達(dá)到一個🙇‍♀️新(xin)的平衡狀(zhuàng)态,浮子又(you)處于一個(ge)新的穩定(dìng)位置。
 
　　在針(zhen)對浮子流(liu)量計理論(lùn)推導流量(liàng)公式的分(fen)析過程中(zhōng),本文🐪既🔞沒(méi)有采納早(zǎo)期的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推導(dǎo)成果🎯,也沒(mei)有采納現(xian)今以W.Miler的研(yan)究成果[2爲(wèi)代表的流(liú)量公式,因(yin)爲兩者都(dou)是根據經(jīng)典伯🚩努力(li)方程推導(dǎo)得到🌈的浮(fú)子截流壓(yā)差與流體(tǐ)連續方程(chéng)聯解,其中(zhōng),Whitwell和Plumb未考慮(lǜ)工作浮子(zi)受力平衡(heng)關系,因此(ci)未獲得既(ji)反映流體(ti)特性又反(fǎn)🏒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(dan)✏️在聯解推(tui)導中忽🥰略(luè)了浮子自(zì)身高度的(de)影響，他推(tui)出的流量(liang)方程[43與經(jing)典類比推(tuī)理法中導(dǎo)得的方程(cheng)完全相同(tóng)。爲提高浮(fu)子流量計(ji)的測量精(jīng)度,本文依(yi)照李景鶴(hè)等1994年推導(dǎo)出的浮子(zi)流量計普(pu)遍流量方(fāng)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(shi)際樣🏃‍♂️機标(biao)定進--步證(zheng)實了該🏃方(fāng)程的科學(xué)性。該流量(liàng)方程适用(yòng)于氣♍體和(he)液體的測(ce)量,同時又(yòu)适✔️用于不(bu)同形狀的(de)浮子,公式(shì)爲:
 
　　式中Qv一(yi)體積流量(liàng)(m/s)
α一流量系(xi)數
DD一标尺(chi)零點處錐(zhuī)形管直徑(jing)
h一浮子高(gao)度位置
φ一(yī)錐形管錐(zhui)半角
Vf一浮(fu)子體積
ρf一(yi)浮子材料(liào)密度
ρ一流(liu)體密度
Sf一(yī)浮子垂直(zhí)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(shì)中△h一浮子(zi)節流幾何(he)高度
　　可見(jian),幾何相似(sì)的浮子,β值(zhí)相同。
　　分析(xī)(1)式可知,對(duì)某--特定結(jié)構的浮子(zi)流量計，即(jí)錐管的錐(zhuī)度與浮子(zi)形狀一定(dìng),浮子的流(liú)量Qv與浮子(zi)高度⛹🏻‍♀️h之間(jiān)📞爲非線性(xìng)關系。早期(qi)的浮子流(liú)量計用減(jian)小錐度的(de)方法來降(jiàng)低二次項(xiàng)的影💯響，要(yao)達🔞到一定(ding)的流量測(cè)量量程必(bi)需延長錐(zhuī)管的長度(dù),從而🏃🏻‍♂️導緻(zhi)加工困難(nán)及安裝㊙️不(bú)便,目前通(tōng)行的金屬(shu)管浮子流(liú)量計總高(gāo)度趨向🤞于(yú)250mm,錐管高度(dù)爲60~70mm,二次項(xiang)引入的非(fēi)線性🔞已不(bú)可忽略，采(cǎi)用某種方(fang)法的非線(xian)❌性機械結(jié)構進☁️行流(liú)量運算顯(xian)然不🏃🏻‍♂️可能(neng)具有精度(dù)高的計算(suan)結果。本文(wén)用計🚶‍♀️算機(jī)計算流量(liàng),極大地提(ti)高了計算(suàn)精度,同時(shi)提供良好(hao)的人機界(jiè)面。
2.2整機結(jie)構設計
 
　　電(dian)容角位移(yi)式金屬管(guan)浮子流量(liàng)計測量原(yuán)理圖示于(yú)圖2,由傳感(gan)🏃‍♂️器、轉換器(qì)、智能信号(hào)處理器三(sān)部分組成(chéng)。由于浮子(zǐ)内嵌磁鋼(gang),當浮子.上(shang)下移動時(shi)，磁鋼同時(shi).上下移動(dong),與錐管外(wai)♊一端嵌有(yǒu)小磁鋼的(de)機械連杆(gǎn)機構形♉成(chéng)内外磁鋼(gang)磁路耦合(hé),内磁鋼的(de)運動将🎯引(yǐn)起外磁鋼(gang)的位移,從(cong)而引起連(lian)杆轉動一(yī)定角度0,将(jiāng)浮子直線(xiàn)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(hua)轉換爲電(diàn)容量值💜C的(de)變化,再經(jīng)信号處🛀🏻理(lǐ)電路将電(diàn)容值🈲的變(bian)化轉化爲(wèi)電壓信号(hào)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(dà)小,有:
 
　　轉換(huan)器爲一端(duan)嵌有磁鋼(gāng)的機械連(lián)杆機構和(he)電容角位(wèi)🏃‍♂️移式🏃🏻傳感(gǎn)器組成,智(zhì)能信号處(chu)理器由單(dān)片機及外(wài)圍電路組(zǔ)成。
3轉換器(qì)的設計
3.1角(jiao)位移敏感(gǎn)元件設計(ji)
　　本文給出(chū)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(cong)以下設計(ji)方法,使得(de)傳統的電(dian)容式角位(wèi)❌移傳感器(qì)的拓撲結(jié)構及測量(liàng)原理發生(sheng)根本性轉(zhuan)變。
1)因正弦(xian)激勵複雜(za)，價格昂貴(gui),因此去除(chu)傳統電容(róng)式🔱角位移(yi)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(mian)了💞諧波幹(gan)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(cí)屏蔽功能(néng),傳感器有(yǒu)效面積周(zhōu)圍設有保(bao)護環和保(bǎo)護面與傳(chuán)感器地連(lián)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(gè)同.軸且彼(bi)此👌平行的(de)極闆組成(chéng):
 
●作爲接收(shou)極的固定(ding)且爲一整(zheng)體的導電(dian)圓盤極闆(pan)4;
●作爲轉動(dòng)極的金屬(shu)分瓣極闆(pan)5;
●作爲發射(shè)極的固定(ding)分瓣式導(dao)電圓盤極(jí)闆6。
　　這3個極(jí)闆中心通(tong)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(xi)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(ge)離的8個可(kě)作爲發射(she)極的單元(yuan)✨s1~s8,每瓣近似(sì)爲45°,相鄰兩(liang)片間隙盡(jìn)可能小,以(yǐ)獲得較大(da)的電容量(liang);接收極闆(pǎn)接收來自(zì)發射極🏃闆(pǎn)的感生電(diàn)荷,設計中(zhong)，發🏃🏻射與接(jie)收極🧑🏾‍🤝‍🧑🏼闆内(nei)部和外部(bu)都有接地(di)保護環,以(yǐ)屏蔽電磁(cí)幹擾,如圖(tu)2中2、3所示;轉(zhuǎn)動極闆由(you)4個角度相(xiang)同(45°)間隔相(xiang)同(45°)的金屬(shu)葉片組成(cheng)。動極闆葉(yè)🔞片轉動的(de)角度θ決定(dìng)了發射極(jí)闆接收極(ji)闆之間8個(ge)電容值🌐及(ji)相☁️應感生(shēng)電荷的大(dà)小。即在一(yī)定激勵脈(mò)沖🌈信号模(mo):式的作用(yòng)下發射極(ji)闆和接收(shōu)極闆之間(jiān)産生電容(rong)。
　　根據設計(ji)需要,浮子(zi)行程決定(dìng)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(yīng)有一❗定冗(rǒng)餘,故将電(dian)容敏感元(yuan)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(tong)時爲提高(gao)檢測幅值(zhí),将s1.s3、s5、s7電氣連(lian)🛀🏻接,s2、s4、s6、s8電氣連(lian)♋接,檢測幅(fú)值提高4倍(bèi)。本文研制(zhi)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(zài)s1.s3、s5、s7施加激勵(li)電壓,則45°内(nèi)🏃‍♀️極闆間電(dian)容模型如(ru)圖4所示，360°内(nèi)🏃🏻等效計算(suan)模型可簡(jiǎn)化爲圖5。
 
3.2信(xìn)号處理
　　分(fèn)析電容等(deng)效電路可(ke)知,簡化計(jì)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(suan)的電容值(zhí)與真實值(zhí)應有一🚶‍♀️定(ding)誤☁️差。本文(wen)采用電容(rong)測量電💁路(lu)對其電容(róng)實際值進(jìn)行檢測。圖(tú)6爲信号處(chu)理部分原(yuan)理框圖。傳(chuán)感器電子(zǐ)線路前端(duan)爲一電荷(he)檢測器,以(yi)降低電路(lu)對高頻信(xìn)号的靈敏(mǐn)度,同時提(ti)高了對🔴電(diàn)磁場幹擾(rǎo)的适應能(neng)力。因被測(cè)電容量值(zhí)很小,隻有(yǒu)13pF左右,故采(cai)取充放電(diàn)法測量電(dian)容🆚，與傳統(tong)方法不同(tong),本文采用(yòng)的是一🙇‍♀️種(zhǒng)抗寄生幹(gan)擾的😘微小(xiǎo)電容測量(liang)電路。
 
4智能(néng)化設計
4.1流(liú)量計算與(yu)刻度換算(suàn)
　　前已提及(ji)公式(1)中流(liu)量Q與浮子(zi)高度h間存(cun)在非線性(xìng)關系;另外(wài),如被測介(jie)質密度、溫(wēn)度、壓力與(yu)标定介質(zhi)不同,浮子(zi)處于同一(yī)高度時,所(suo)反映出的(de)流量值并(bing)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(bian)了傳統的(de)❌金屬管浮(fu)子流量計(jì)✂️必須根據(jù)被測介質(zhì)的密🔞度進(jìn)行逐台設(she)計制造,或(huò)在量程範(fàn)圍滿足工(gōng)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(hua)水平得到(dào)較大提高(gao)。
　　理論.上液(yè)體與氣體(tǐ)流量測量(liang)的密度修(xiu)正公式分(fèn)别如☀️下:
4.1.1液(ye)體流量的(de)修正公式(shì)可由流量(liàng)方程(1)導出(chū)被
　　測液體(tǐ)密度不同(tong)于标定水(shui)時的流量(liàng)修正公式(shi):
 
4.2硬件設計(jì)
　　智能信号(hào)處理器的(de)硬件原理(lǐ)如圖7所示(shì),其核心部(bù)🛀件爲美📧國(guo)某公司的(de)PIC單片機,其(qi)内部集成(cheng)了ROM、RAM、定時器(qi)、數據采集(jí)器、看⭐門狗(gou)電路🔞、上電(diàn)複位電路(lu),可節省大(da)量外圍電(dian)路。
 
4.3軟件設(she)計
　　軟件設(she)計流程如(ru)圖8所示。可(ke)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(guò)儀表界面(mian)3個按鍵可(kě)将🙇‍♀️标定曲(qǔ)線🔞系數、小(xiao)數位數🆚、被(bei)測介質的(de)密度、溫度(dù)、壓力、壓縮(suo)系數等工(gong)況參數直(zhi)接置入單(dan)片機,自動(dòng)完🤩成刻度(dù)換算,實現(xiàn)流♈量的正(zhèng)确測量,給(gei)不同要求(qiú)用戶的使(shi)用帶來極(jí)大方便,無(wú)需逐台設(she)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(hua)水平。
 
5樣機(ji)标定
　　PIC單片(piàn)機與錐管(guǎn)中内嵌磁(cí)鋼的浮子(zǐ)、電容角位(wei)移傳感器(qi)、硬件⁉️信号(hao)處理電路(lu)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(ji)。該樣機在(zai)如圖👄9所示(shi)的實驗标(biāo)定裝置⛹🏻‍♀️上(shàng)進行标定(dìng)，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(biāo)定步驟:
 
1)利(li)用彙編語(yǔ)言設計浮(fu)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(hang)程各5次,記(ji)錄樣機瞬(shun)時電壓采(cai)樣值(V/s)與标(biao)準表瞬時(shi)流量值(m³/h),對(duì)6個标定點(diǎn)處的平🐆均(jun)值樣本進(jin)行⭐3階拟合(he)⛱️,得到V/s-m³/h的函(hán)數關系(4),即(ji)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(ji)流量m3,再次(ci)标定,标定(ding)點6點,正反(fan)行🈲程各作(zuò)3次,對比樣(yang)機與标準(zhǔn)表的瞬時(shi)流量,分析(xī)樣機誤差(chà),标定數💘據(jù)見表1。 15mm、50mm、80mm口徑(jing)的樣機标(biao)定時，其流(liú)量範圍🔞分(fen)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程(cheng)比爲10:1。
　　滿度(du)相對誤差(chà)計算公式(shì)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(hè)等推導出(chu)的浮子流(liú)量計普遍(biàn)流量☔方程(cheng)🏃,适用于氣(qì)體、液體測(cè)量,并兼顧(gu)浮子形狀(zhuàng)影🎯響,從而(ér)爲本文研(yán)究般溪子(zi)流量計測(ce)量精度的(de)提高提供(gòng)了理論保(bǎo)障;
　　無需根(gēn)據被測介(jie)質的密度(dù)、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(fāng)便;
　　改變了(le)國内金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計引進(jin)産品和國(guo)産産品中(zhōng)因采用機(jī)械結構進(jìn)行流量計(ji)算而導緻(zhi)精度較低(dī)的狀況🔞;
　　用(yong)電容角位(wei)移式傳感(gan)器測量浮(fu)子位移,配(pei)合PIC單片機(ji)組成的新(xīn)型智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計,運(yùn)用實驗标(biao)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(duì)這3種口徑(jìng)的樣機連(lián)續運行數(shu)月後重新(xīn)标定,精度(du)并未發❤️生(shēng)變化,證實(shi)了該儀表(biao)的可靠性(xìng)。

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