智能小流量靶式流量計的研制
目前,對于小流量、高黏度的介質(zhì)流量的測量有一定難度。
雖然,渦輪式、浮子式、電磁式或熱線式等流量計可用于小流量測量,但因這類流量計是采用機(jī)械部件測量流體的動力效應(yīng),或利用流動壓差進(jìn)行測量的連通管或薄膜、活塞等專用設(shè)備,不僅制作及安裝均要求嚴(yán)格,其測量準(zhǔn)確度也受到限制,如渦輪式流量計,在低流速時高黏度的流體會使得葉輪轉(zhuǎn)動得更慢,甚至在信號端上無法識別輸出的信號。
針對小流量、高黏度的特點,設(shè)計了一種智能小流量靶式流量計。它能夠在小流量、高黏度的條件下,以較高準(zhǔn)確度測量介質(zhì)流量。
1 靶式流量傳感器工作原理
如圖1所示,在管道的中心位置放置一個圓盤形靶。當(dāng)流體流過靶時,使靶板正面中心處所受的壓力等于流體的動壓力,而靶的背面由于形成“死水區(qū)”和渦漩造成“抽吸效應(yīng)”,使靶的前后有一個壓力差,這個壓力差對靶面造成一個作用力。
當(dāng)有流體流經(jīng)管道時,力F和流體平均速度v以及介質(zhì)靶板面積A的關(guān)系為：
式中:F為靶板受力;CD為阻力系數(shù),ρ為介質(zhì)密度;v為流體平均流速;A為靶板面積。
式中:Qm為流體的質(zhì)量流量,kg/h;QV為流體的體積流,m3/h;α為流量系數(shù),它與靶尺寸和雷諾數(shù)有關(guān);β為靶板與管道內(nèi)徑之比;D為管道內(nèi)徑,mm.
由式(2)、式(3)可知,只要測出靶板的作用力,即可算出流過靶板的流量。將靶板與靶桿連接在彈性元件上,在彈性元件上粘貼應(yīng)變片,構(gòu)成全橋電路。當(dāng)靶板受到力F的作用,4個應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變ε,應(yīng)變電橋兩端的電源電壓為U時,電橋兩端輸出電壓信號:
被測流體密度、管道內(nèi)徑、靶片選定后,當(dāng)管道雷諾數(shù)大于2 000時,流量系數(shù)α不變,k2為常數(shù),此時應(yīng)變片輸出電壓ΔU與流量成平方關(guān)系,這就是靶式流量計的基本測量原理。
2 小流量流動時流量系數(shù)α的補(bǔ)償
流量系數(shù)α與直徑比β及流體流動狀態(tài)有關(guān),圖2是管徑D=50 mm,β=0·7和β=0·8的雷諾數(shù)ReD關(guān)系曲線,當(dāng)ReD>2 000時,α基本保持不變;當(dāng)ReD較小時,α隨ReD的降低而減少。使流量系數(shù)趨于恒定值時的管道雷諾數(shù)稱為靶式流量計的界限雷諾數(shù),α可被認(rèn)為是一個常數(shù)。ReD低于界限雷諾數(shù)時,α將隨ReD而變化,測量誤差變大,傳統(tǒng)的靶式流量計在ReD<2 000時無法測量。
可知,當(dāng)小流量流動時,雷諾數(shù)變低,流量表達(dá)式的α將不是一個常數(shù),必須進(jìn)行修正才能減小測量誤差。采用實驗室標(biāo)定的方法,獲得不同標(biāo)準(zhǔn)流量測得的電壓值,計算各自的實際流量系數(shù)值,取出出現(xiàn)拐點的標(biāo)準(zhǔn)流量與流量系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)參考值存入Flash中。流量計工作時,根據(jù)A/D測得的電壓數(shù)據(jù),判斷流量所處的范圍,取出實驗標(biāo)定數(shù)據(jù),利用內(nèi)插的方法,求出相應(yīng)的流量系數(shù),計算出瞬時流量并顯示。
3 靶式流量計系統(tǒng)設(shè)計
智能型靶式流量計系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示,靶式流量傳感器上的電阻應(yīng)變片接成全橋形式,經(jīng)差動放大后接至A/D轉(zhuǎn)換口上,單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用AduC812,它是全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在單個芯片內(nèi)部包含了高性能自校準(zhǔn)多通道ADC(8通道12位高精度)以及可編程的8位MCU.單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)采樣測得的流量,計算相應(yīng)的流量系數(shù),將電壓信號轉(zhuǎn)換為流量表示。顯示模塊用于顯示當(dāng)前瞬時流量和累加流量。按鍵控制單元用于儀器與用戶的人機(jī)交互,可設(shè)置管道比、流體密度等參數(shù)。PC接口電路用于實現(xiàn)多路流量計同時測量流量時的集中監(jiān)視,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出一個儀器地址,相應(yīng)的流量計就將該位置測到的流量信號送到上位機(jī)。溫度傳感器用于補(bǔ)償由于溫度變化引起流體密度變化的影響。
4 實驗結(jié)果
流體為高線軋機(jī)潤滑油,溫度為35℃,管道直徑50 mm,壓力6 MPa,測量范圍為5~50 L/min.油流量試驗裝置對靶式流量進(jìn)行測試,其結(jié)果見表1。
5 結(jié)束語
研制的靶式流量計主要針對高黏度、小流量的流體測量,通過標(biāo)定和智能修正流量系數(shù)的方法,計算當(dāng)前合適的流量系數(shù),減小高黏度、小流量測量誤差,達(dá)到小流量、高黏度流量的精確測量,且最低流速能夠測到5 L/min,儀表在量程范圍內(nèi)儀用誤差小于0·5%。