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新型智能转子流量计的实验研究

时间:2010/4/28 9:07:50 点击:2394

  核心提示:目前,在国内金属管转子流量计的引进产品和国产产品中,大多采用凸轮机械结构进行流量计算,由此而引出以下两方面不足。首先,凸轮机械结构不能进行流量的精确计算;其次,必须根据被测介质的密度、工况条件及流量范围进行逐台设计制造,给生产厂商和使用部门带来不便。 本文介绍了笔者研制的金属管转子流量计,给出较好鲁...

    目前,在国内金属管转子流量计的引进产品和国产产品中,大多采用凸轮机械结构进行流量计算,由此而引出以下两方面不足。首先,凸轮机械结构不能进行流量的精确计算;其次,必须根据被测介质的密度、工况条件及流量范围进行逐台设计制造,给生产厂商和使用部门带来不便。

    本文介绍了笔者研制的金属管转子流量计,给出较好鲁棒性的高精度角位移转换器,同时引入单片机技术,对信号进行智能化处理,从而较好地解决了上述两方面问题。

    1 整机结构及原理

    角位移转子流量计测量原理图如图1所示。它由传感器1)、转换器2)、智能信号处理器3)三部分组成。

    其中,传感器为锥管及其中内欠磁钢的转子组成,转换器为一端嵌有磁钢的机械连杆机构及角位移转换器组成,智能信号处理器由信号处理电路、单片机及外围电路组成如图1所示,当转子处于垂直的锥形管道中时,随着流体速度的增大而上下移动。当转子的重力等于流速向上的作用力时,达到平衡状态,转子处于某一稳定的位置;当流体速度变化时,转子向下与向上的作用力达到一个新的平衡状态,转子又处于一个新的稳定位置,转子流量计流量公式为:

    

           (1)

    其中 qv— 体积流量;
         α— 流量系数;
         D0— 标尺零点处锥形管直径;
         h— 转子位置;
         φ— 锥形管锥半角;
         g— 重力加速度;
         Vf— 转子体积;
         ρf— 转子材料密度;
         ρ— 流体密度;
         Sf— 转子垂直于流向的最大截面积。

    从式(1)可见,流量测量的精度决定于对转子高度的准确测量。由于转子内嵌磁钢,当转子上下移动时,内磁钢同时上下移动,与嵌于机械连杆一端的外磁钢形成内外磁钢磁路耦合,外磁钢随之移动,内磁钢运动h将引起机械连杆转动一定角度θ,本文利用角位移转换器将角度的变化转换为电容量值C的变化,再经信号处理电路将电容值的变化转化为电压信号Vout,最终使得检测电路的输出信号幅值反映流体瞬时流量的大小,有

    Vout1(C)=φ2(θ)=φ3(h)=φ4(q)       (2)

    保证φ1,φ2,φ3,φ4均为单调函数,则有

    q=F(Vout)      (3)

    2 角位移转换器的研究[2-7]

    2.1 电容敏感元件的设计

    本文给出一种具有较好鲁棒性的高精度低成本的电容角位移转换器。图2为角位移转换器整体结构装配图。转换器主要由电容敏感元件、轴及轴承、检测电路、外壳等组成。实现从θ—C—V—的转换。

    图2中核心部件为电容敏感元件,设计方法与传统的电容式角位移转换器的拓扑结构、测量原理有着本质的区别:

    1)去除传统的电容式角位移转换器所需的正弦激励电压,采用方波脉冲激励,有效避免了谐波干扰、放大不匹配及相误差;
    2)为尽可能完全实现电磁屏蔽功能,有效面积周围设有保护环和保护面与转换器地连接。

    拓扑结构示意图如图3所示,主要由3个同轴且彼此平行的极板组成。

    1)作为发射极的固定分瓣式导电圆盘极板;
    2)作为转动极的金属分瓣极板;
    3)作为接收极的固定且为一整体的导电圆盘极板。

    这3个同轴且彼此严格平行的极板中心通过转动轴,发射极与接收极静止且保持一固定距离,转动极与转动轴相固定且转轴两端装有两个滚动轴承,装配时,保证动极板在固定的极板中能灵活自由转动,相对间隙应尽可能小,保持0.15~0.2mm之间。将发射极板分割成面积相等但彼此间电气隔离的8个可作为发射极的单元、每瓣近似为45゜,相邻两片间隙尽可能小,以获得较大的电容量;接收极板接收来自发射极板的感生电荷,实际设计过程中,发射与接收极板内部和外部都有接地保护环,以屏蔽电磁干扰,如图3中的接地保护圈;转动极板为4个角度相同(45゜)、间隔相同(45゜)的金属叶片组成。动极板叶片转动的角度日决定了发射极板与接收极板之间感生电荷的大小。即在一定激励脉冲信号模式的作用下,发射极板和接收极板之间产生电容,有

    C=F(θ) (4)

    故θ的变化可以通过对电容值C的测量来得到。

    2.2 信号处理电路

    本文采用电容测量电路对其电容实际值进行检测。图4为信号处理电路原理框图。传感器电子线路前端为一电荷检测器,以降低电路对高频信号的灵敏度,亦可提高电能对电磁场干扰的适应能力。因被测电容量值很小,只有10~20pF,故采取充放电法测量电容,与传统方法不同,本文采用的是一种抗寄生干扰的微小电容测量电路[7]。

    3 智能化设计

    为实现整机仪表的智能化而引入单片机技术,实现现场数字化显示和远传,从而克服了在国产及引进产品中,由于采用凸轮机械结构导致无法进行精确计算流量的弊端。对于现场显示和远传型流量计,整机的功耗、成本、可靠性和体积要求较为严格,因此本文选择美国Microehip的PIC单片机,又因其内部带有看门狗电路、上电复位电路和数据采集电路等,故可以节省大量外围电路。原理框图如图5所示。特别指出,本文采用超低功耗设计思想,单纯现场显示,一节锂电池可以使用2年。

    同时,为保证测量精度,本文在软件上实现了转子流量计的刻度换算,即对不同流体转子处于同一高度时,所反映的流量值不同。智能化的实现使得转子流量计的设计无需根据被测介质的密度、工况条件及流量范围进行逐台设计制造,给生产厂和使用部门带来很大方便。

    1)液体流量的修正公式

    当被测介质的粘度与标定水的粘度相近,则有α=α0。由式(1)导出被测液体密度不同于标定水时的流量修正公式为

   

      (5)

    式中 qv0,ρ0,α0— 分别为转子流量计在标定状态下(温度t=20℃ ,压力p=101325Pa)的体积流量、流体密度及流量系数;
         qv,ρ,α— 分别表示实际运行状态下被测流体的体积流量、流体密度及流量系数。

    2)气体流量修正公式

    对于气体,因ρf》ρ,则式(1)可简化为

   

        (6)

    根据式(6)可得被测气体密度ρ不同于标定空气密度ρ0,温度T,压力p,压缩系数Z不同于标定状态T0,p0,Z0的流量修正公式为

   

             (7)

    将工况条件及被测介质的密度以参数的形式直接置入单片机中,自动完成刻度换算,实现流量的精确测量,给不同要求用户的使用带来了极大方便,显示出较强的智能化。人机界面同时现实累积流量、瞬时流量的计算及显示。

    4 样机标定

    PIC单片机与锥管中内嵌磁钢的转子、电容角位移转换器、硬件信号处理电路相配合,制成2台(15mm,80mm口径)电容角位移式金属管转子流量计样机。该样机在如图6所示的实验标定装置上进行标定。标准表选择精度0.2级电磁流量计。标定步骤如下:


    1)利用PIC汇编语言设计转子流量计专用标定软件。标定点6点,每点lO次,正反行程各5次,记录样机瞬时电压采样值V(V/s)与标准表瞬时流量值qv(m3/h),对6个标定点处的平均值样本进行3阶拟合得到式(2),即qv=qv (Vout),拟合通式为

   qv=A+B1V+B2V2+B3V3;         (8)

    2)将第一步得到的函数关系写入单片机中,使得样机显示输出为瞬时流量(m3/h)和累计流量(m3),再次标定,标定点6点、正反行程各作3次,对比样机与标准表的累计流量,分析样机累计流量误差,标定数据见表1。其中,15mm,80mm口径的样机标定时,被校表瞬时流量分别为0.04~0.4m3/h,4~40m3/h,量程比为10:1,标定时间单次累计均为1Omin。

    表1 样机标定表

15mm口径 80mm口径
标准表累积流量
/m3
被校表累积流量
/m3
平均误差(r)% 标准表累积流量
/m3
被校表累积流量
/m3
平均误差(r)%
0.00667 0.00688 0.31998 0.66667 0.6890 0.33545
0.00833 0.00877 0.65497 1.33333 1.347 0.205
0.01667 0.01609 0.86496 2.66667 2.6968 0.452
0.03333 0.03367 0.50497 4 4.0234 0.35205
0.05 0.0505 0.74996 5.33333 5.274 0.89
0.06667 0.06652 0.21999 6.66667 6.6104 0.844

    累计流量相对误差计算公式为

   

       (9)

    式中 γ— 相对误差;
         Xf— 转子流量计测量值;
         Xs— 标准表测量值;
         Xmax— 转子流量计最大测量值;

    累计流量平均相对误差计算公式为

   

           (10)

    式中 r— 平均相对误差;
         ri— 第i点相对误差

    本文对样机标定点处的累计流量测量值进行了精度分析。由表1可见,2台样机最大相对误差分别为:15mm口径的约0.865%;80mm口径的约0.89%

    5 结论

    1)本文给出了一种新型电容角位移转换器,实际运行结果表明该转换器具有高精度、低成本并具有较好鲁棒性,为转子流量计测量精度的提高提供可靠保障;
    2)克服了国内金属管转子流量计的引进产品和国产产品中因采用凸轮机械结构进行流量计算而导致精度较低的缺点;
    3)无需根据被测介质的密度及工况条件进行逐台设计制造,将给生产厂商和使用部门带来极大的方便,显示出较强的智能化;
    4)两台样机,通过实验标定数据的方法得到累计流量的精度为1级,连续运行数月后重新标定,精度未发生变化,从而证实丁该仪表的可靠性。

作者:佚名 来源:不详
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