摘要(yao)：基于浮子(zǐ)流量計 普(pu)遍流量方(fang)程口及電(dian)容角位移(yí)式傳感器(qi)檢測機理(lǐ)的新型智(zhì)能金屬管(guan)浮子流量(liang)計 ,實現了(le)對流量的(de)正确測量(liang)。本文詳細(xi)介紹該流(liú)量㊙️計計量(liang)原理🔞、轉換(huan)器的設計(jì)、信号的智(zhi)能化處理(lǐ)、樣機标定(dìng)及誤差分(fen)析。
1引言
　　流(liu)量的正确(què)測量在節(jie)能降耗、經(jīng)濟核算、自(zì)動控制等(deng)🈲方㊙️面有着(zhe)廣泛應用(yòng)。在中低流(liu)速流量測(cè)量中浮子(zi)流量計起(qǐ)着❗非常重(zhong)要的作用(yong)。
　　目前國内(nèi)金屬管浮(fu)子流量計(jì)的引進産(chǎn)品和國産(chǎn)✏️産品❌中,理(lǐ)論上主要(yào)依據w.Miler的研(yan)究成果甲(jiǎ),實際設計(jì)中又采用(yong)機械結構(gòu)進行流量(liang)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(ji)流量範圍(wéi)進行逐台(tái)🐆設計制造(zào),給生⛹🏻‍♀️産廠(chǎng)和使用部(bù)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(tu)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(dòng)。浮子受重(zhong)力、浮力、迎(yíng)流壓差阻(zǔ)力及粘性(xing)應力的作(zuo)用,當浮子(zi)在垂直方(fang)向上合力(li)爲零時達(dá)到平衡♉狀(zhuàng)态,浮子處(chu)于某一穩(wen)定的位置(zhi)。當來♋流速(su)度變化時(shi),浮子向下(xia)與向上的(de)作用力達(dá)到一個新(xīn)的平衡狀(zhuang)态,浮子又(you)處于一個(gè)新的🌈穩定(dìng)位置。
 
　　在針(zhēn)對浮子流(liu)量計理論(lun)推導流量(liang)公式的分(fèn)析過程中(zhōng),本文既沒(mei)有采納早(zao)期的J.C.Whitwell和D.S.Plumb的(de)理論推導(dao)成果,也沒(mei)有采🤟納現(xiàn)今以✍️W.Miler的研(yán)🏒究成果[2爲(wèi)代表的流(liu)量公式,因(yīn)爲兩者都(dōu)是根據經(jīng)典伯努力(lì)方程推導(dao)得到的浮(fu)子截流壓(yā)差與流體(tǐ)連續方程(cheng)聯解,其中(zhong),Whitwell和Plumb未考慮(lü)工作浮子(zǐ)受力平衡(héng)☂️關系,因此(cǐ)未獲得既(ji)反映流體(tǐ)特性又反(fan)映浮子特(tè)性的通用(yong)流量方程(cheng);Miller雖然考慮(lü)了工🆚作浮(fu)子受力平(ping)衡關系,但(dan)在聯解推(tui)導中忽略(luè)了浮子自(zi)身高度的(de)影響，他推(tui)出的流量(liang)方程[43與經(jīng)典類比推(tuī)理法中導(dao)得的方程(cheng)完全相同(tóng)。爲提高浮(fú)子流量計(jì)的測量精(jing)✂️度,本文依(yī)照李😄景鶴(he)等1994年推導(dao)出的浮☎️子(zi)流量計普(pu)📧遍♊流量方(fang)程中設計(jì)出一定流(liu)量範圍的(de)金屬管浮(fu)子流量計(jì),并通過第(dì)5部分的實(shí)際樣機标(biāo)定進--步證(zhèng)實了該🧡方(fāng)程的科學(xue)性。該流量(liang)方程适用(yòng)于氣體和(hé)液體的測(ce)量,同時又(you)适📱用于不(bú)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(xì)數
DD一标尺(chǐ)零點處錐(zhui)形管直徑(jing)
h一浮子高(gāo)度位置
φ一(yi)錐形管錐(zhuī)半角
Vf一浮(fú)子體積
ρf一(yī)浮子材料(liao)密度
ρ一流(liú)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(zi)
β定義爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式(shì)中△h一浮子(zǐ)節流幾何(hé)高度
　　可見(jiàn),幾何相似(si)的浮子,β值(zhí)相同。
　　分析(xi)(1)式可知,對(dui)某--特定結(jié)構的浮子(zǐ)流量計，即(jí)錐管的錐(zhui)度與浮子(zi)形狀一定(ding),浮子的流(liu)量Qv與浮子(zi)高度h之間(jiān)❗爲非線性(xing)關系。早期(qi)🈲的浮子流(liú)量計用減(jiǎn)小錐度的(de)方法來降(jiàng)低二次項(xiàng)的影響，要(yào)達✨到一定(dìng)的流量測(ce)量量🔞程必(bì)需延長錐(zhui)管的❌長度(du),從而導緻(zhì)加工困難(nan)及安裝不(bu)便,目前通(tong)行的金屬(shu)管🍓浮子流(liu)量計💜總高(gao)度趨向于(yú)250mm,錐管高度(du)爲60~70mm,二次項(xiàng)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(jie)構進‼️行流(liu)量運算顯(xian)然不可能(neng)具有精度(dù)高的計算(suàn)結果。本文(wén)用計算機(ji)計算流量(liàng),極大地提(ti)高了計算(suan)精度,同時(shí)提供良好(hǎo)的🥵人機界(jiè)面。
2.2整機結(jie)構設計
 
　　電(diàn)容角位移(yi)式金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計測量原(yuan)理圖示👌于(yu)圖2,由傳感(gan)器、轉換器(qi)、智能信号(hào)處理器三(sān)部分組成(cheng)。由于浮子(zi)内嵌磁💚鋼(gang),當🈲浮子.上(shàng)下移動時(shí)，磁鋼同時(shi).上下⛱️移動(dong),與錐管外(wài)🐕一端嵌有(you)小磁✂️鋼的(de)機械連杆(gan)機構形成(chéng)内外磁鋼(gāng)磁路耦🏃🏻合(hé),内磁鋼的(de)運動将🏃🏻‍♂️引(yin)起外磁鋼(gang)的位移,從(cóng)而引起連(lián)杆轉動一(yī)定角度0,将(jiang)浮子直線(xian)位移轉換(huan)成角度的(de)位移,本文(wen)利☁️用電📱容(rong)角位移傳(chuán)感器将角(jiǎo)度的變化(hua)轉換爲電(dian)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(biàn)化轉化爲(wei)電壓信号(hao)Vout最終使檢(jiǎn)測電路的(de)輸出信号(hào)幅❤️值反🌈映(ying)流體瞬時(shí)流量的大(da)小,有:
 
　　轉換(huan)器爲一端(duān)嵌有磁鋼(gang)的機械連(lian)杆機構和(hé)電容角💚位(wei)移式傳感(gǎn)器組成,智(zhì)能信号處(chù)理器由單(dan)片機💋及外(wai)圍電路組(zu)成。
3轉換器(qi)的設計
3.1角(jiǎo)位移敏感(gan)元件設計(ji)
　　本文給出(chū)一種具有(yǒu)較好魯棒(bang)性的精度(dù)高的電容(rong)角.位移傳(chuan)感器。遵從(cóng)以下設計(ji)方法,使得(dé)傳統的電(diàn)容式角位(wèi)移傳感器(qi)的拓撲結(jie)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(guì),因此去除(chú)傳統電容(rong)式角位移(yi)傳感♉器所(suǒ)需的正弦(xián)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(bu)匹配及相(xiang)誤差;
2)爲盡(jìn)可能完全(quán)實現電磁(ci)屏蔽功能(néng),傳感器有(you)效面積周(zhou)圍設有保(bǎo)護環和保(bao)護面與傳(chuan)感器地連(lián)接。圖3爲電(dian)🏃‍♀️容敏⛷️感元(yuan)件拓撲結(jie)構示意圖(tu)。主要由3個(gè)同.軸且彼(bǐ)此平行的(de)極闆組成(cheng):
 
●作爲接收(shōu)極的固定(dìng)且爲一整(zhěng)體的導電(diàn)圓盤極闆(pǎn)💯4;
●作爲轉動(dòng)極的金屬(shǔ)分瓣極闆(pan)5;
●作爲發射(shè)極的固定(dìng)分瓣式導(dǎo)電圓盤極(jí)闆6。
　　這3個極(jí)闆中心通(tōng)過轉軸1,轉(zhuan)軸裝有兩(liǎng)個滾動軸(zhou)承，裝配時(shí),保證動極(ji)闆和轉軸(zhóu)一起轉動(dòng),4.5.6相對間隙(xi)應盡可能(néng)小。将發射(shè)極闆分🔞割(gē)成面積相(xiàng)等但彼此(cǐ)間電氣隔(gé)離的8個可(ke)作爲發射(shè)極的單元(yuan)♉s1~s8,每瓣近似(si)爲45°,相鄰兩(liang)片間隙盡(jin)可能小,以(yi)獲得較大(dà)的電容量(liang);接收極闆(pǎn)接收⛷️來自(zi)發射極🎯闆(pǎn)的感生電(diàn)荷,設計中(zhōng)，發♈射與接(jie)收極闆内(nei)部和外部(bù)都有接地(dì)保護環,以(yi)屏❤️蔽電磁(ci)幹擾,如圖(tú)2中2、3所示;轉(zhuan)動極闆🚶由(you)4個角度相(xiàng)同(45°)間🌏隔相(xiang)同(45°)的金屬(shu)葉片組成(chéng)。動極闆葉(ye)片✂️轉動的(de)角度θ決定(dìng)了發射極(ji)闆接收極(jí)闆👄之間8個(gè)電容值及(jí)相應感生(shēng)電荷的大(dà)小。即在一(yi)定激勵脈(mo)沖信号模(mo):式🤟的作用(yòng)下發射極(jí)闆和接收(shōu)極闆之間(jian)産生電容(rong)。
　　根據設計(jì)需要,浮子(zǐ)行程決定(ding)機械連杆(gan)的實際轉(zhuan)角θ相對變(bian)化範圍約(yue)爲30°,因此，考(kǎo)慮電場的(de)邊緣效應(yīng),設計時應(ying)有一定冗(rǒng)餘,故将電(diàn)容敏感元(yuan)件設計成(chéng)能夠對45°的(de)絕對角位(wei)移進行檢(jian)測即可。同(tong)時爲提高(gāo)檢測幅值(zhí),将s1.s3、s5、s7電氣連(lian)接,s2、s4、s6、s8電氣連(lián)接,檢測幅(fu)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(gan)轉角(約30°)小(xiǎo)于45°,若僅在(zai)s1.s3、s5、s7施加激勵(li)電壓,則45°内(nei)極闆間電(diàn)容模型如(rú)圖4所示，360°内(nèi)等效計算(suàn)模型可簡(jian)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(shi)際上忽略(lue)了電場的(de)邊緣效應(ying),故通過(4)式(shì)簡化計算(suàn)的電容值(zhí)與⁉️真實值(zhí)應有一定(ding)誤差。本文(wen)采用電容(róng)測量電路(lu)對其🔴電容(róng)實⛹🏻‍♀️際值進(jin)🌈行檢測。圖(tú)6爲信号處(chù)理部分原(yuan)理框圖。傳(chuan)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(min)度,同時提(ti)高了對⭕電(diàn)磁場幹擾(rao)的适應能(neng)力。因被測(cè)電容量值(zhí)很小,隻有(you)13pF左右,故🌐采(cai)取充放電(diàn)法測量電(diàn)容，與傳統(tong)方法不同(tong),本文采用(yòng)的是一種(zhǒng)抗寄生幹(gàn)擾的♍微小(xiǎo)電容測量(liàng)電路。
 
4智能(neng)化設計
4.1流(liu)量計算與(yǔ)刻度換算(suan)
　　前已提及(jí)公式(1)中流(liú)量Q與浮子(zi)高度h間存(cun)在非線性(xing)關系;另外(wai),如被測介(jie)質密度、溫(wēn)度、壓力與(yǔ)标定介質(zhì)不同,浮子(zǐ)處于同一(yi)高度時,所(suǒ)反映出的(de)流量值并(bìng)🐅不相同,爲(wèi)提高計算(suan)精度及自(zì)動完成刻(ke)度換算,引(yǐn)入計算機(ji)技術,改變(biàn)了傳統的(de)金屬管浮(fu)📱子流量計(ji)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(fan)圍☔滿足工(gōng)況條件時(shi),現場通過(guò)人工方法(fa)進行刻度(du)換算的狀(zhuàng)況，智能化(hua)水平㊙️得到(dào)較大提高(gāo)。
　　理論.上液(ye)體與氣體(ti)流量測量(liang)的密度修(xiū)正公式分(fen)别如☂️下:
4.1.1液(yè)體流量的(de)修正公式(shi)可由流量(liàng)方程(1)導出(chū)被
　　測液體(ti)密度不同(tóng)于标定水(shui)時的流量(liang)修正公式(shì):
 
4.2硬件設計(jì)
　　智能信号(hao)處理器的(de)硬件原理(li)如圖7所示(shì),其核心部(bù)☁️件爲美國(guó)某公司的(de)PIC單片機,其(qi)内部集成(cheng)了ROM、RAM、定時器(qì)、數據采集(ji)器、看門狗(gǒu)電路、上電(dian)複位電路(lù),可節省大(da)量外圍電(dian)路。
 
4.3軟件設(shè)計
　　軟件設(she)計流程如(ru)圖8所示。可(ke)實現雙排(pái)8位LCD同時顯(xian)示累積流(liú)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(suō)系數等🈲工(gōng)況參數直(zhi)接置入單(dān)片機,自動(dong)完成刻度(dù)換算,實現(xian)流量的正(zhèng)确測量,給(gěi)不同要求(qiu)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(lèi)研究成果(guǒ)相比較,顯(xiǎn)示👅出更強(qiang)的智能化(huà)水平。
 
5樣機(jī)标定
　　PIC單片(pian)機與錐管(guan)中内嵌磁(ci)鋼的浮子(zǐ)、電容角位(wèi)移傳感器(qì)、硬🧑🏽‍🤝‍🧑🏻件✨信号(hao)處理電路(lù)相配合構(gòu)成3台(15mm、50mm、80mm口徑(jìng))電容角位(wèi)💜移式🏃‍♂️金屬(shu)管浮子流(liu)量計樣機(jī)。該樣機在(zai)如圖🔞9所示(shì)的實驗标(biao)🙇‍♀️定裝置上(shàng)進行标定(ding)，高位水塔(ta)高36m,實現穩(wen)定水壓，以(yi)保持流量(liàng)恒定🈚。标準(zhun)表選擇電(diàn)磁流🤞量計(ji),誤差爲0.2%。标(biao)定步驟:
 
1)利(li)用彙編語(yǔ)言設計浮(fu)子流量計(jì)專用标定(ding)軟件。标🧡定(ding)點6點,每點(dian)3次,正反行(hang)程各5次,記(jì)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(dui)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(han)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(de)到的函數(shu)關系寫入(ru)單片機中(zhōng),使得樣機(ji).顯示輸出(chu)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(yàng)機與标準(zhun)表的瞬時(shí)流量,分析(xi)樣機誤差(cha),标定數據(ju)見表1。 15mm、50mm、80mm口徑(jing)的樣機标(biao)定時，其💜流(liú)量範圍分(fèn)别爲0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程(cheng)比爲10:1。
　　滿度(dù)相對誤差(chà)計算公式(shi)爲:
 
 
6結論
　　電(dian)容角位移(yi)式智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計研(yán)究結果表(biǎo)明:
　　本文依(yī)據李景鶴(he)等推導出(chū)的浮子流(liu)量計普遍(bian)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量方程(chéng),适用于氣(qì)體、液體測(ce)量,并兼顧(gù)浮子形狀(zhuang)影響,從而(ér)爲本文研(yan)究般溪子(zi)流量計測(ce)量精度的(de)提♉高提供(gong)🔴了理論保(bǎo)障;
　　無需根(gen)據被測介(jie)質的密度(du)、使用工況(kuàng)條件和流(liu)量範圍進(jìn)行逐台設(she)計制造,将(jiāng)給生産廠(chang)商和使用(yong)部門帶來(lái)極大的🔴方(fang)便;
　　改變了(le)國内金屬(shu)管浮子流(liú)量計引進(jin)産品和國(guó)産産品中(zhong)因采用機(jī)械結構進(jin)行流量計(jì)算而導緻(zhi)精度較低(di)的㊙️狀況;
　　用(yòng)電容角位(wei)移式傳感(gan)器測量浮(fú)子位移,配(pei)合PIC單片機(ji)組成的新(xīn)型智能金(jīn)屬管浮子(zi)流量計,運(yùn)用實驗标(biao)定數據的(de)方✊法得到(dao)該流量計(ji)瞬時流量(liang)的精度爲(wei)1級,通過對(dui)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(shí)了該儀表(biao)的可靠性(xing)。

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