摘(zhāi)要：基于(yú)浮子流(liu)量計 普(pǔ)遍流量(liàng)方程口(kǒu)及電容(rong)角位移(yi)式傳感(gan)器檢測(ce)機🥰理的(de)新型智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(jì) ,實現了(le)對流量(liàng)的正确(què)測量。本(běn)文詳細(xi)介紹該(gai)流量🐕計(ji)計量原(yuán)理、轉換(huan)器的設(she)計、信号(hào)的智能(néng)化處理(lǐ)、樣機标(biāo)定及誤(wu)差📞分析(xī)✍️。
1引言
　　流(liu)量的正(zheng)确測量(liang)在節能(neng)降耗、經(jīng)濟核算(suàn)、自動控(kòng)制等🔱方(fāng)面有着(zhe)🔆廣泛應(ying)用。在中(zhōng)低流速(sù)流量測(ce)量中浮(fú)子流🏃🏻量(liàng)計起着(zhe)非常🈲重(zhòng)要的作(zuo)用。
　　目前(qian)國内金(jin)屬管浮(fú)子流量(liang)計的引(yin)進産品(pǐn)和國産(chǎn)産品中(zhōng)🌍,理論上(shang)主要依(yī)據w.Miler的研(yán)究成果(guǒ)甲,實際(ji)設計中(zhōng)又采用(yòng)機械🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結(jie)構☂️進行(hang)流量計(jì)算,由此(cǐ)而存在(zài)三方面(mian)的不足(zú),首先,理(lǐ)論上存(cún)在一定(dìng)缺陷;其(qi)次,是機(jī)械結構(gòu)無法進(jìn)行流⁉️量(liàng)的正确(que)計量;第(dì)三,必須(xū)根據被(bèi)測介質(zhi)的密度(dù)、工況條(tiáo)件及流(liu)量範圍(wéi)進行逐(zhú)台設計(jì)制造,給(gěi)💔生産廠(chǎng)和使用(yòng)部㊙️門帶(dai)來不便(bian)。
2計量原(yuan)理與整(zheng)機設計(ji)
2.1計量原(yuán)理
　　如圖(tu)1所示,浮(fu)子放于(yu)垂直的(de)錐形管(guǎn)道中,随(sui)着流體(tǐ)速度的(de)變化而(ér)上下移(yí)動。浮子(zǐ)受重力(lì)、浮力、迎(ying)流壓差(chà)阻力及(jí)🛀粘性應(ying)力的作(zuo)💁用,當浮(fú)子在垂(chui)直方向(xiang)上合力(li)爲零時(shi)達到平(ping)衡狀态(tài),浮子處(chu)于某一(yi)穩定的(de)位置。當(dāng)來流速(su)度變化(huà)時,浮子(zǐ)向下與(yu)向🆚上的(de)作用🐪力(li)達到一(yi)個😄新的(de)平衡狀(zhuàng)态,浮子(zi)又處于(yú)一個新(xīn)的💋穩定(dìng)位置。
 
　　在(zài)針對浮(fú)子流量(liàng)計理論(lùn)推導流(liú)量公式(shì)的分析(xī)過程⭕中(zhong),本文✌️既(ji)🥵沒有采(cǎi)納早期(qi)的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推(tui)導成果(guo),也沒有(you)采納現(xiàn)今以W.Miler的(de)研☁️究成(cheng)果[2爲代(dài)表的流(liu)量公式(shì),因爲兩(liǎng)者都是(shi)根據經(jing)典伯努(nu)力方程(cheng)推導得(dé)到的浮(fú)子截流(liú)壓差與(yu)流體連(lián)續方程(chéng)聯解,其(qi)中,Whitwell和Plumb未(wei)👨‍❤️‍👨考慮工(gōng)作浮子(zǐ)受力平(ping)衡關系(xì),因此未(wèi)獲得既(ji)反映流(liu)體特性(xìng)又反映(ying)浮子特(te)性的通(tong)用流量(liang)方程;Miller雖(sui)然考慮(lü)了工🏃作(zuò)浮子受(shòu)力平衡(héng)關系,但(dàn)在聯解(jie)推導中(zhong)忽略了(le)浮子自(zi)身高度(dù)的影響(xiǎng)，他推出(chu)的流量(liang)方程[43與(yu)經典類(lei)比推理(lǐ)法中⁉️導(dao)得的🌐方(fāng)程完全(quan)相同。爲(wei)提🎯高浮(fú)子流量(liàng)計的測(cè)量精㊙️度(du),本文依(yi)照李景(jing)鶴等1994年(nian)🌐推導出(chu)的浮子(zi)流量計(jì)普遍流(liú)量方程(chéng)中設計(jì)出一定(ding)流量範(fàn)圍的金(jīn)屬管浮(fu)子流⭐量(liang)✌️計,并通(tong)過第5部(bù)分的實(shi)際樣🏃‍♂️機(jī)标定進(jin)--步證實(shi)了該方(fāng)程的科(kē)學性。該(gāi)流量方(fang)程适用(yong)于氣體(ti)和液體(tǐ)的測量(liàng),同時又(you)适用🌈于(yú)不同形(xíng)狀的浮(fú)子,公式(shi)爲:
 
　　式中(zhōng)Qv一體積(jī)流量(m/s)
α一(yī)流量系(xi)數
DD一标(biāo)尺零點(diǎn)處錐形(xíng)管直徑(jìng)
h一浮子(zi)高度位(wèi)置
φ一錐(zhui)形管錐(zhui)半角
Vf一(yī)浮子體(tǐ)積
ρf一浮(fú)子材料(liao)密度
ρ一(yī)流體密(mì)度
Sf一浮(fu)子垂直(zhi)于流向(xiang)的最大(dà)截面積(jī)
β一浮子(zi)形狀因(yin)子
β定義(yi)爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式中(zhōng)△h一浮子(zi)節流幾(ji)何高度(dù)
　　可見,幾(jǐ)何相似(sì)的浮子(zǐ),β值相同(tong)。
　　分析(1)式(shì)可知,對(duì)某--特定(dìng)結構的(de)浮子流(liu)量計，即(ji)錐管的(de)錐度與(yǔ)💚浮子形(xing)狀一定(dìng),浮子的(de)流量Qv與(yu)浮子高(gao)度h之間(jiān)爲非線(xian)性📐關系(xi)。早期的(de)浮子流(liú)量計用(yong)減小錐(zhui)🔞度的方(fang)法來降(jiang)低二次(cì)項的影(ying)響，要達(dá)到一定(dìng)的流量(liàng)測量量(liang)⚽程必需(xu)延長錐(zhuī)管的長(zhang)度,從而(er)導緻加(jia)工困難(nan)及安裝(zhuang)🐇不便,目(mu)前通行(háng)的金屬(shǔ)管💋浮子(zi)流量計(jì)🆚總高度(du)趨向于(yu)250mm,錐管高(gāo)度爲60~70mm,二(èr)次項引(yin)入的非(fēi)🌈線性已(yi)不可忽(hū)略，采用(yòng)某種方(fang)💞法的非(fei)線性機(ji)械結構(gòu)進行✉️流(liú)量運算(suàn)顯然不(bú)可能具(jù)有精度(du)高的計(ji)算結果(guo)。本文用(yong)計算機(ji)計算流(liú)量,極大(da)地提高(gāo)了計算(suan)精度👨‍❤️‍👨,同(tóng)時提供(gòng)良好的(de)人機界(jiè)面。
2.2整機(jī)結構設(she)計
 
　　電容(rong)角位移(yí)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì)測量原(yuan)理圖示(shì)于圖2,由(you)👅傳感器(qì)、轉換器(qi)、智能信(xin)号處理(lǐ)器三部(bù)分組成(chéng)。由于浮(fu)✔️子内嵌(qiàn)磁鋼,當(dāng)浮子.上(shang)下移動(dòng)時，磁鋼(gāng)同時.上(shàng)下移動(dòng),與錐管(guan)外一端(duan)嵌有小(xiao)磁鋼的(de)機械連(lián)杆機構(gou)形成内(nei)外磁📧鋼(gāng)磁路耦(ǒu)合,内磁(ci)鋼的運(yun)動将引(yin)起外磁(cí)鋼‼️的位(wèi)移,從而(er)引起連(lian)杆轉動(dong)一定角(jiǎo)度0,将浮(fu)子直線(xiàn)位移轉(zhuǎn)換成角(jiao)度的位(wèi)移,本文(wén)利用電(dian)容角位(wèi)移傳感(gǎn)器将角(jiǎo)度😍的變(bian)化轉換(huan)爲電容(rong)量值C的(de)變化,再(zai)經信号(hào)處🏒理電(dian)路将電(dian)容值的(de)變化轉(zhuan)化爲電(diàn)壓信号(hào)Vout最終使(shǐ)檢測電(dian)路的輸(shu)出信号(hào)幅值反(fan)映流體(ti)瞬時流(liú)量的大(dà)小,有:
 
　　轉(zhuǎn)換器爲(wei)一端嵌(qian)有磁鋼(gang)的機械(xie)連杆機(jī)構和電(dian)容角位(wèi)移📐式傳(chuan)感器組(zǔ)成,智能(néng)信号處(chu)理器由(you)單片機(jī)及外圍(wéi)電路組(zǔ)成。
3轉換(huàn)器的設(she)計
3.1角位(wei)移敏感(gǎn)元件設(she)計
　　本文(wen)給出一(yī)種具有(yǒu)較好魯(lǔ)棒性的(de)精度高(gao)的電容(róng)角㊙️.位♈移(yi)傳感器(qi)。遵從以(yǐ)下設計(ji)方法,使(shǐ)得傳統(tong)的電容(rong)式⚽角位(wei)移傳感(gan)器的拓(tuo)撲結構(gou)及測量(liàng)原理發(fa)生根本(běn)性轉變(biàn)。
1)因正弦(xian)激勵複(fu)雜，價格(gé)昂貴,因(yin)此去除(chu)傳統電(dian)容式📐角(jiao)位移傳(chuan)感👣器所(suo)需的正(zheng)弦激勵(li)電壓,采(cǎi)用方波(bō)脈沖激(ji)勵，從📧而(ér)避免了(le)諧波📐幹(gan)擾,放大(da)不匹配(pèi)及相誤(wu)差;
2)爲盡(jìn)可能完(wán)全實現(xiàn)電磁屏(píng)蔽功能(néng),傳感器(qi)有效面(miàn)積周圍(wei)設有🚶‍♀️保(bǎo)護環和(hé)保護面(mian)與傳感(gan)器地連(lian)接。圖3爲(wèi)電容敏(mǐn)感元件(jiàn)拓撲結(jié)💚構示意(yì)圖。主要(yào)由3個同(tóng).軸且彼(bi)此平行(hang)的極闆(pǎn)組成:
 
●作(zuò)爲接收(shou)極的固(gu)定且爲(wèi)一整體(tǐ)的導電(dian)圓盤極(jí)闆4;
●作爲(wèi)轉動極(jí)的金屬(shu)分瓣極(ji)闆5;
●作爲(wèi)發射極(jí)的固定(ding)分瓣式(shi)導電圓(yuan)盤極闆(pǎn)6。
　　這3個極(ji)闆中心(xin)通過轉(zhuǎn)軸1,轉軸(zhou)裝有兩(liang)個滾動(dong)軸承，裝(zhuang)配時,保(bao)證🏃‍♀️動極(jí)闆和轉(zhuan)軸一起(qǐ)轉動,4.5.6相(xiàng)對間隙(xi)應盡可(ke)能小❄️。将(jiang)發射極(ji)闆分🤟割(gē)成面積(ji)相等但(dàn)彼此間(jiān)電氣隔(ge)離的8個(ge)可作爲(wei)發射極(jí)🐕的單元(yuán)s1~s8,每瓣近(jin)似爲45°,相(xiang)鄰兩片(pian)間隙盡(jìn)可能小(xiao),以獲得(dé)較大的(de)電容量(liang);接收極(jí)闆接收(shōu)來自發(fa)射極闆(pǎn)的感生(sheng)電荷,設(she)計中，發(fa)💜射與接(jie)收極闆(pan)内部和(he)外部都(dōu)有接地(di)保護環(huan),以屏蔽(bì)電磁幹(gan)擾,如圖(tu)🎯2中2、3所示(shì);轉動極(ji)闆由4個(gè)角度相(xiang)同(45°)間隔(gé)相同(45°)的(de)金屬葉(yè)片組成(cheng)。動極闆(pǎn)葉片⛷️轉(zhuǎn)動的角(jiǎo)度θ決定(dìng)了發射(she)極闆接(jiē)收極闆(pan)之間8個(gè)電容值(zhí)及相應(yīng)感生電(diàn)荷的大(da)小。即在(zai)一定激(ji)勵脈沖(chòng)信号模(mó):式的作(zuò)用下發(fa)射極闆(pǎn)和接☔收(shōu)極闆之(zhī)間産生(shēng)電容。
　　根(gen)據設計(jì)需要,浮(fu)子行程(chéng)決定機(jī)械連杆(gǎn)的實際(jì)轉😍角θ相(xiang)對變化(hua)範圍約(yuē)爲30°,因此(ci)，考慮電(dian)場的邊(bian)緣效應(yīng),設計時(shí)應⭐有一(yī)💋定冗餘(yú),故将電(dian)容敏感(gan)元件設(shè)計成💃能(néng)夠對45°的(de)絕對角(jiǎo)位移進(jin)行檢測(cè)即可。同(tóng)時爲提(ti)高檢測(ce)幅值,将(jiāng)s1.s3、s5、s7電氣連(lián)✨接,s2、s4、s6、s8電氣(qi)連接,檢(jian)測幅值(zhi)提高4倍(bèi)。本文研(yán)制的角(jiǎo)位移傳(chuan)感器的(de)機械連(lian)杆轉角(jiao)(約30°)小👄于(yu)45°,若僅在(zài)s1.s3、s5、s7施加激(ji)勵電壓(ya),則45°内極(ji)闆間電(dian)容模型(xing)如圖4所(suo)示，360°内等(děng)效計算(suàn)模型可(kě)簡化爲(wèi)圖5。
 
3.2信号(hào)處理
　　分(fèn)析電容(rong)等效電(diàn)路可知(zhi),簡化計(jì)算模型(xing)實際上(shang)忽略了(le)💁電場的(de)邊緣效(xiào)應,故通(tong)過(4)式簡(jiǎn)化計算(suàn)的電容(róng)值與真(zhēn)實值應(yīng)有一定(ding)誤差。本(ben)文采用(yòng)電容測(ce)量電路(lù)對其電(diàn)容實際(jì)值進🐆行(hang)檢測❗。圖(tu)6爲信💛号(hào)處理部(bù)分原理(lǐ)框圖。傳(chuan)感器電(diàn)子線路(lu)前端爲(wèi)一電荷(hé)檢測器(qi),以降低(di)電路對(dui)高頻信(xìn)号的靈(ling)敏度,同(tóng)時提高(gāo)了對電(diàn)磁場幹(gan)擾的适(shì)應能力(li)。因被🔴測(cè)電容量(liang)值很🆚小(xiao),隻有13pF左(zuo)右,故采(cǎi)取充放(fang)電法測(ce)量電容(róng)，與傳統(tong)方法不(bú)⛷️同,本文(wén)采用的(de)是一♌種(zhong)抗寄生(shēng)幹擾的(de)微小電(dian)容測量(liàng)電路。
 
4智(zhì)能化設(shè)計
4.1流量(liang)計算與(yǔ)刻度換(huàn)算
　　前已(yǐ)提及公(gong)式(1)中流(liu)量Q與浮(fu)子高度(du)h間存在(zài)非線性(xing)關❌系;另(ling)外💞,如被(bèi)測介質(zhì)密度、溫(wen)度、壓力(lì)與标定(ding)介質🔞不(bu)同✉️,浮子(zǐ)處于同(tóng)一👣高度(dù)時,所反(fan)映出的(de)流量值(zhi)并不相(xiang)同,爲提(ti)高計算(suan)精度及(ji)自動完(wan)成刻度(du)換算,引(yin)入計算(suan)機🚶‍♀️技術(shù),改變了(le)傳統的(de)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計必(bì)須根據(ju)被測介(jie)質的密(mi)🧡度進行(hang)逐台設(she)計制造(zào),或在量(liàng)程範圍(wéi)💃滿足工(gong)況條件(jiàn)時,現場(chǎng)通過人(rén)工⭐方法(fa)進行刻(kè)度換算(suan)的狀況(kuang)，智能化(huà)水平🍉得(dé)到較大(da)提高。
　　理(lǐ)論.上液(yè)體與氣(qi)體流量(liang)測量的(de)密度修(xiu)正公式(shi)分别如(rú)下:
4.1.1液體(tǐ)流量的(de)修正公(gōng)式可由(you)流量方(fang)程(1)導出(chu)被
　　測液(yè)體密度(dù)不同于(yu)标定水(shuǐ)時的流(liu)量修正(zhèng)公式:
 
4.2硬(yìng)件設計(ji)
　　智能信(xin)号處理(lǐ)器的硬(yìng)件原理(lǐ)如圖7所(suo)示,其核(hé)心部件(jian)🆚爲🏒美國(guó)某公司(si)的PIC單片(pian)機,其内(nèi)部集成(cheng)了ROM、RAM、定時(shi)器、數據(ju)采集器(qi)、看👄門狗(gǒu)電路、上(shàng)電複位(wei)電路,可(ke)節省大(da)🔱量外圍(wei)📐電路。
 
4.3軟(ruǎn)件設計(ji)
　　軟件設(shè)計流程(chéng)如圖8所(suo)示。可實(shí)現雙排(pái)8位LCD同時(shi)顯示累(lei)積流🐅量(liàng)和瞬時(shi)流量;通(tong)過儀表(biǎo)界面3個(ge)按鍵可(kě)将标定(ding)曲線系(xì)數、小數(shù)📞位數、被(bèi)測介質(zhì)的密度(du)、溫度、壓(ya)🤞力、壓縮(suo)系數等(deng)工況參(can)數直接(jie)置入單(dan)片機,自(zì)動完成(chéng)刻度換(huan)算,實現(xiàn)流量的(de)正确測(cè)量,給不(bu)同要求(qiu)用🌂戶的(de)使用帶(dài)來極大(da)方便,無(wu)需逐台(tái)設計制(zhi)造,與國(guó)❤️際同類(lèi)研究成(chéng)果相比(bi)較,顯示(shi)出更強(qiang)的智能(néng)化水平(ping)。
 
5樣機标(biao)定
　　PIC單片(pian)機與錐(zhui)管中内(nèi)嵌磁鋼(gang)的浮子(zǐ)、電容角(jiao)位移傳(chuán)感📧器、硬(yìng)件信号(hào)處理電(dian)路相配(pei)合構成(chéng)3台(15mm、50mm、80mm口徑(jing))電容角(jiao)位移式(shì)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計樣(yang)機。該樣(yang)機在如(ru)圖9所示(shì)的實驗(yàn)标定裝(zhuang)置♻️上進(jin)行标定(dìng)，高位水(shui)塔高36m,實(shi)現穩定(ding)水壓，以(yǐ)保持流(liú)量恒定(dìng)。标準表(biao)選擇電(diàn)磁流量(liang)計,誤差(chà)爲0.2%。标定(dìng)步驟:
 
1)利(li)用彙編(biān)語言設(shè)計浮子(zǐ)流量計(ji)專用标(biāo)定軟件(jiàn)。标定點(diǎn)⛱️6點,每點(dian)✉️3次,正反(fǎn)行程各(gè)5次,記錄(lu)樣機瞬(shun)時電壓(ya)采樣值(zhí)(V/s)與标準(zhǔn)表瞬時(shi)流量值(zhi)(m³/h),對6個标(biao)定點處(chù)的平均(jun1)值樣本(ben)進行3階(jie)拟合,得(dé)到V/s-m³/h的函(han)數關系(xi)(4),即Q=Q(Vout),通式(shì)爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将第(dì)一步得(de)到的函(han)數關系(xì)寫入單(dan)片機中(zhōng),使得樣(yang)機☀️.顯🈲示(shi)輸出爲(wèi)瞬時流(liu)量m³/h和累(lèi)計流量(liang)m3,再次标(biāo)定,标定(dìng)點6點,正(zhèng)反行程(cheng)各作3次(ci)⛷️,對比樣(yàng)機與标(biāo)準表的(de)瞬時流(liu)量,分析(xi)樣機誤(wù)差,标定(ding)數🤩據見(jiàn)表1。 15mm、50mm、80mm口徑(jìng)的樣機(jī)标定時(shí)，其♋流量(liàng)範圍☎️分(fèn)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量(liang)程比爲(wèi)10:1。
　　滿度相(xiang)對誤差(chà)計算公(gong)式爲:
 
 
6結(jié)論
　　電容(róng)角位移(yí)式智能(neng)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計研(yan)究結果(guǒ)表明:
　　本(ben)文依據(ju)李景鶴(hè)等推導(dao)出的浮(fú)子流量(liang)計普遍(biàn)流量方(fāng)程,适用(yòng)于氣體(tǐ)、液體測(cè)量,并兼(jiān)顧浮子(zi)形狀影(ying)👉響,從而(ér)爲🔞本文(wen)🔴研究🏃🏻‍♂️般(ban)溪♊子流(liú)量計測(ce)量精度(dù)的提♌高(gāo)提供了(le)理論保(bao)障;
　　無需(xu)根據被(bei)測介質(zhi)的密度(du)、使用工(gōng)況條件(jiàn)和流量(liàng)範圍進(jìn)行🔴逐台(tái)設計制(zhi)造,将給(gei)生産廠(chang)商和使(shi)用部門(men)帶來極(ji)大的方(fāng)便;
　　改變(biàn)了國内(nei)金屬管(guan)浮子流(liú)量計引(yin)進産品(pin)和國産(chan)産品中(zhong)因采用(yong)機械結(jié)構進行(hang)流量計(jì)算而導(dǎo)緻精度(du)較低的(de)狀況;
　　用(yong)電容角(jiǎo)位移式(shì)傳感器(qì)測量浮(fú)子位移(yí),配合PIC單(dān)片機⚽組(zǔ)成✔️的新(xin)型智能(néng)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計,運(yùn)用實驗(yàn)标定數(shù)據的方(fang)法得到(dao)該流量(liang)計瞬時(shí)流量的(de)精度爲(wèi)1級,通過(guo)對這3種(zhǒng)口徑的(de)樣機☁️連(lián)續運行(háng)數月後(hòu)重新标(biāo)定,精度(dù)并未發(fa)生變化(hua),證實了(le)該儀表(biǎo)的可靠(kào)性。

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