靶式流量計(jì)動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案的探討
智能靶式流量計(jì)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、不容易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，主要用于高黏度、低雷諾數(shù)流體的流量測(cè)量，也可用于測(cè)量一般氣體、液體和蒸汽等流體介質(zhì)的流量。
目前，智能靶式流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定時(shí)要求流體為定常流，但其應(yīng)用場合多為非定常流。在脈動(dòng)流（周期性、隨機(jī)波動(dòng)）等場合，靶式流量計(jì)往往無法準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)流量信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。此外，當(dāng)流體流動(dòng)脈動(dòng)頻率接近靶桿的固有頻率時(shí)，靶桿會(huì)出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。這些因素都會(huì)對(duì)靶式流量計(jì)的準(zhǔn)確度與可靠性產(chǎn)生影響。本文從靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理出發(fā)，探索與構(gòu)思靶式流量計(jì)動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)方案。
1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理
智能靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 智能靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
智能靶式流量計(jì)的工作原理是在測(cè)量管道的中心位置設(shè)置一靶體（信號(hào)發(fā)生體），當(dāng)流體流動(dòng)沖擊位于管道中心位置的靶體時(shí)，作用于靶體上的力F與流體密度ρ、靶體受力面積A、流體流速v的平方成正比，其關(guān)系式如下：
（1）
通過數(shù)學(xué)變換推導(dǎo)，得到流量公式如下：
式中：qm為質(zhì)量流量；qv為體積流量；α為流量系數(shù)；D為測(cè)量管道內(nèi)徑；β為流隙比，流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片（d為靶片的直徑，非圓形靶片可換算成圓的直徑計(jì)算）。
靶體的受力大小經(jīng)電阻應(yīng)變片力傳感器轉(zhuǎn)換成微伏電信號(hào)，通過信號(hào)采集與放大、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器運(yùn)算處理后，得到相應(yīng)的流體流速和流量。
2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案
對(duì)于一般的傳感器，根據(jù)其自身特點(diǎn)的不同（如電式、機(jī)械式、氣動(dòng)式傳感器等），可以對(duì)其施加正弦信號(hào)，分析其頻域響應(yīng)特性；或施加階躍、斜坡、脈沖等信號(hào)，分析其時(shí)域響應(yīng)特性。另外，還可以施加隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析。
靶式流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定就是通過試驗(yàn)研究其在動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)特性，從而獲取能夠反映其動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)的過程。若要對(duì)靶式流量計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，首先應(yīng)該根據(jù)靶式流量計(jì)的工作原理及其自身特點(diǎn)，選擇和設(shè)計(jì)合適的標(biāo)定信號(hào)及裝置來進(jìn)行試驗(yàn)。本文通過考慮動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的，結(jié)合靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，設(shè)計(jì)了隨機(jī)信號(hào)法、脈沖信號(hào)法和負(fù)階躍信號(hào)法三種靶式流量計(jì)動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案。下面對(duì)這三種標(biāo)定方案進(jìn)行深入的探討與分析。
2.1 隨機(jī)信號(hào)法
隨機(jī)信號(hào)法是在一般的靶式流量計(jì)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改造，產(chǎn)生隨機(jī)標(biāo)定信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
該方案的思路是將一個(gè)已知頻率特性并且具有良好動(dòng)態(tài)特性的高精度、高性能的標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表先后串接在標(biāo)定管道中，當(dāng)原先的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)中的定量泵開啟后，標(biāo)定管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生流體流動(dòng)相對(duì)比較穩(wěn)定的流量信號(hào)。而動(dòng)態(tài)標(biāo)定本身所需要的是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的流體流量信號(hào)，可通過在管道出水口設(shè)置一個(gè)活動(dòng)閥門來解決這個(gè)問題，具體為利用活動(dòng)閥門的隨機(jī)開關(guān)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)變化的流體流量信號(hào)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)表所反映的流量信號(hào)與待標(biāo)表的電壓輸出信號(hào)這兩路信號(hào)數(shù)據(jù)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)表具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能比較準(zhǔn)確地反映流體的流量情況，故假定采集到標(biāo)準(zhǔn)表的流量信號(hào)與流體流量信號(hào)相一致，將其作為待標(biāo)表的輸入信號(hào)，與采集的待標(biāo)表的電壓輸出信號(hào)一起傳輸給計(jì)算機(jī)。利用FFT、功率譜等數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)方法來估算待標(biāo)表的頻率特性。最后將此頻率特性與已知的標(biāo)準(zhǔn)表的頻率特性進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)靶式流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
圖2 隨機(jī)信號(hào)法方案示意圖
隨機(jī)信號(hào)法具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，在原有的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上做適當(dāng)?shù)母脑?，從而可以用比較低的成本來建立靶式流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)；其次，由于流體流動(dòng)的復(fù)雜性，要使流體流量產(chǎn)生按正弦、階躍、沖擊等規(guī)律變化的標(biāo)定信號(hào)幾乎是不可能的事情，而通過活動(dòng)閥門的隨機(jī)開關(guān)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)流量信號(hào)作為標(biāo)定信號(hào)，可以很好地解決在標(biāo)定信號(hào)產(chǎn)生方面存在的這個(gè)難點(diǎn)。
隨機(jī)信號(hào)法也存在一些缺點(diǎn)：首先，由于各生產(chǎn)廠家的流量計(jì)產(chǎn)品與現(xiàn)行市面上出售的各種流量計(jì)幾乎沒有與頻響特性等動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的性能指標(biāo)，要獲取一個(gè)具有良好動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表非常困難；其次，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)本身也存在一些濾波的情況，直接采集其輸出的流量信號(hào)作為待標(biāo)表的流量輸入信號(hào)，必然會(huì)帶來一些誤差，對(duì)待標(biāo)表的動(dòng)態(tài)標(biāo)定產(chǎn)生負(fù)面的影響。
2.2 脈沖信號(hào)法
脈沖信號(hào)法是根據(jù)靶式流量計(jì)的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)思的一種標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案。
由靶式流量計(jì)的原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，靶式流量計(jì)主要是利用流體流動(dòng)時(shí)對(duì)靶體的沖擊力使靶桿彎曲形變，從而帶動(dòng)靶桿上面的電阻應(yīng)變片形變所產(chǎn)生的電信號(hào)來進(jìn)行流量測(cè)量。因此，從本質(zhì)上來看，靶式流量計(jì)其實(shí)就是一種電阻應(yīng)變片式的力傳感器，故可借鑒對(duì)力、加速度等傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法來對(duì)靶式流量計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。脈沖信號(hào)法就是運(yùn)用激振器產(chǎn)生動(dòng)作，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)靶體施加脈沖力信號(hào)來產(chǎn)生動(dòng)態(tài)標(biāo)定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶式流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
該設(shè)計(jì)方案的標(biāo)定過程為：利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過功率放大后，傳輸給激振器；激振器產(chǎn)生動(dòng)作，利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)給靶式流量計(jì)靶體發(fā)送一個(gè)正向的脈沖。這樣，靶式流量計(jì)就獲得了一個(gè)脈沖標(biāo)定信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡采集函數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號(hào)與待標(biāo)表輸出的電壓信號(hào)，并傳輸給計(jì)算機(jī)處理。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識(shí)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到頻率響應(yīng)特性。脈沖信號(hào)
圖3 脈沖信號(hào)法示意圖
脈沖信號(hào)法的優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，能夠很容易地產(chǎn)生標(biāo)定信號(hào)（脈沖信號(hào)），產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號(hào)是一個(gè)具有確定規(guī)律的信號(hào)。因而輸入信號(hào)是一個(gè)已知的信號(hào)，只需將采集到的靶式流量計(jì)輸出的電壓信號(hào)與已知脈沖信號(hào)（函數(shù)發(fā)生器發(fā)生）的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，就可以利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識(shí)等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理。
相對(duì)于隨機(jī)信號(hào)法來說，脈沖信號(hào)法的缺點(diǎn)是成本比較高。另外，利用激振器產(chǎn)生力脈沖信號(hào)，在實(shí)際操作中面臨一些困難和挑戰(zhàn)。
根據(jù)上述方案與隨機(jī)信號(hào)法的啟發(fā)，如果能夠得到具有很好動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表，就可以利用激振器產(chǎn)生標(biāo)定信號(hào)（力信號(hào)），然后經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)施加于標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表，通過兩者的比較來進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定和評(píng)價(jià)。標(biāo)定和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于能否獲取具有很好動(dòng)態(tài)特性和相關(guān)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表。
脈沖信號(hào)比較法示意圖如圖4所示。
圖4 脈沖信號(hào)比較法示意圖
2.3 負(fù)階躍信號(hào)法
負(fù)階躍信號(hào)發(fā)生裝置如圖5所示。
圖5 負(fù)階躍標(biāo)定信號(hào)發(fā)生裝置示意圖
負(fù)階躍信號(hào)法是利用掛重裝置產(chǎn)生一個(gè)負(fù)階躍力信號(hào)來對(duì)靶式流量計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
負(fù)階躍信號(hào)發(fā)生裝置利用掛重裝置，在裝置上下同時(shí)懸掛兩個(gè)砝碼，放置一段時(shí)間后，在某個(gè)時(shí)刻用剪刀快速剪斷下面的砝碼，從而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)階躍力的標(biāo)定信號(hào)。
負(fù)階躍力信號(hào)示意圖如圖6所示。
圖6 負(fù)階躍信號(hào)示意圖
負(fù)階躍法方案標(biāo)定過程為：利用掛重裝置產(chǎn)生一個(gè)負(fù)階躍力信號(hào)給靶式流量計(jì)，利用數(shù)據(jù)采集卡采集靶式流量計(jì)的電壓輸出信號(hào)，將該信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)并保存。由于掛重裝置所產(chǎn)生的標(biāo)定信號(hào)是一個(gè)負(fù)階躍的力信號(hào)（物理量），不是電信號(hào)，所以無法利用數(shù)據(jù)采集卡采集該標(biāo)定信號(hào)數(shù)據(jù)來進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)此，本方案通過構(gòu)造標(biāo)定信號(hào)數(shù)據(jù)的方法來解決這個(gè)問題。標(biāo)定信號(hào)是一個(gè)負(fù)階躍的力信號(hào)，根據(jù)采集的響應(yīng)信號(hào)（靶式流量計(jì)的電壓輸出信號(hào)）的數(shù)據(jù)，視標(biāo)定信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的起跳點(diǎn)同步，據(jù)此構(gòu)造標(biāo)定信號(hào)（負(fù)階躍力信號(hào)）數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定信號(hào)與輸出信號(hào)數(shù)據(jù)。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識(shí)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到靶式流量計(jì)的頻率響應(yīng)特性。
負(fù)階躍信號(hào)法的優(yōu)點(diǎn)有：首先，該方案成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，信號(hào)發(fā)生裝置只需利用現(xiàn)有的干標(biāo)掛重裝置即可；其次，標(biāo)定信號(hào)是已知的負(fù)階躍信號(hào)，只需采集靶式流量計(jì)輸出的電壓信號(hào)。
負(fù)階躍信號(hào)法的缺點(diǎn)是：當(dāng)快速剪斷繩子，突然釋放底下的砝碼，在理論上可產(chǎn)生一個(gè)負(fù)階躍力信號(hào)，但是，繩子本身具有一定的彈性，并且掛重裝置上還存在滑輪，因而繩子在經(jīng)過滑輪時(shí)，還要受到摩擦力的影響，因此，所產(chǎn)生的標(biāo)定信號(hào)并不是一個(gè)理想的負(fù)階躍信號(hào)。
3 結(jié)束語
本文基于對(duì)靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理的認(rèn)識(shí)，構(gòu)思出隨機(jī)信號(hào)法、脈沖信號(hào)法和負(fù)階躍信號(hào)法三種動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)方案。其中，隨機(jī)信號(hào)法的成本低，但難以獲取具有良好動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表。脈沖信號(hào)法通過函數(shù)發(fā)生器發(fā)生標(biāo)定信號(hào)給激振器產(chǎn)生動(dòng)作，利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)靶體施加標(biāo)定信號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)，但成本較高。而負(fù)階躍信號(hào)法成本低廉，裝置簡單可靠、可行性高。比較三種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為負(fù)階躍信號(hào)法為最佳標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)靶式流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。