智能小流量靶式流量計(jì)的研制
目前,對(duì)于小流量、高黏度的介質(zhì)流量的測(cè)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(jì)可用于小流量測(cè)量,但因這類流量計(jì)是采用機(jī)械部件測(cè)量流體的動(dòng)力效應(yīng),或利用流動(dòng)壓差進(jìn)行測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度也受到限制,如渦輪式流量計(jì),在低流速時(shí)高黏度的流體會(huì)使得葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)得更慢,甚至在信號(hào)端上無法識(shí)別輸出的信號(hào)。
針對(duì)小流量、高黏度的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種智能小流量靶式流量計(jì)。它能夠在小流量、高黏度的條件下,以較高準(zhǔn)確度測(cè)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(gè)圓盤形靶。當(dāng)流體流過靶時(shí),使靶板正面中心處所受的壓力等于流體的動(dòng)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(gè)壓力差,這個(gè)壓力差對(duì)靶面造成一個(gè)作用力。
當(dāng)有流體流經(jīng)管道時(shí),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(cè)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(gè)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變?chǔ)?應(yīng)變電橋兩端的電源電壓為U時(shí),電橋兩端輸出電壓信號(hào):
被測(cè)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(shí),流量系數(shù)α不變,k2為常數(shù),此時(shí)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(jì)的基本測(cè)量原理。
2 小流量流動(dòng)時(shí)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(dòng)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(shí),α基本保持不變;當(dāng)ReD較小時(shí),α隨ReD的降低而減少。使流量系數(shù)趨于恒定值時(shí)的管道雷諾數(shù)稱為靶式流量計(jì)的界限雷諾數(shù),α可被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。ReD低于界限雷諾數(shù)時(shí),α將隨ReD而變化,測(cè)量誤差變大,傳統(tǒng)的靶式流量計(jì)在ReD<2 000時(shí)無法測(cè)量。
可知,當(dāng)小流量流動(dòng)時(shí),雷諾數(shù)變低,流量表達(dá)式的α將不是一個(gè)常數(shù),必須進(jìn)行修正才能減小測(cè)量誤差。采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的方法,獲得不同標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)得的電壓值,計(jì)算各自的實(shí)際流量系數(shù)值,取出出現(xiàn)拐點(diǎn)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(jì)工作時(shí),根據(jù)A/D測(cè)得的電壓數(shù)據(jù),判斷流量所處的范圍,取出實(shí)驗(yàn)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(jì)算出瞬時(shí)流量并顯示。
3 靶式流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能型靶式流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(cè)得的流量,計(jì)算相應(yīng)的流量系數(shù),將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量表示。顯示模塊用于顯示當(dāng)前瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)多路流量計(jì)同時(shí)測(cè)量流量時(shí)的集中監(jiān)視,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出一個(gè)儀器地址,相應(yīng)的流量計(jì)就將該位置測(cè)到的流量信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
流體為高線軋機(jī)潤(rùn)滑油,溫度為35℃,管道直徑50 mm,壓力6 MPa,測(cè)量范圍為5~50 L/min.油流量試驗(yàn)裝置對(duì)靶式流量進(jìn)行測(cè)試,其結(jié)果見表1。
5 結(jié)束語
研制的靶式流量計(jì)主要針對(duì)高黏度、小流量的流體測(cè)量,通過標(biāo)定和智能修正流量系數(shù)的方法,計(jì)算當(dāng)前合適的流量系數(shù),減小高黏度、小流量測(cè)量誤差,達(dá)到小流量、高黏度流量的精確測(cè)量,且最低流速能夠測(cè)到5 L/min,儀表在量程范圍內(nèi)儀用誤差小于0·5%。