摘要：基于(yu)浮子流量(liang)計 普遍流(liu)量方程口(kou)及電容角(jiao)位移式傳(chuan)感器檢測(ce)機🌈理的新(xin)型智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計 ,實(shi)現了對流(liu)量的正确(que)測量。本文(wen)詳細介紹(shao)該流量計(ji)計量原㊙️理(li)、轉換器的(de)設計、信号(hao)的智能化(hua)處理、樣機(ji)标定及誤(wu)差分析🏃。
1引(yin)言
　　流量的(de)正确測量(liang)在節能降(jiang)耗、經濟核(he)算、自動控(kong)制等方🙇🏻面(mian)有着廣泛(fan)應用。在中(zhong)低流速流(liu)量測量中(zhong)浮子流量(liang)計起着非(fei)常✂️重要💘的(de)作用。
　　目前(qian)國内金屬(shu)管浮子流(liu)量計的引(yin)進産品和(he)國産産品(pin)中,理論上(shang)主要依據(ju)w.Miler的研究成(cheng)果甲,實際(ji)設計🔴中又(you)采用機械(xie)結構進行(hang)❓流量計算(suan),由此而存(cun)在三🛀🏻方面(mian)的不足,首(shou)先,理論上(shang)存在❗一定(ding)缺陷;其次(ci),是機🐕械結(jie)構無📞法進(jin)行流量的(de)正确計量(liang);第三,必須(xu)根據被測(ce)介質的密(mi)度、工況條(tiao)件及流量(liang)範圍進行(hang)逐台設計(ji)制造,給🥰生(sheng)産廠和使(shi)用部😍門帶(dai)來不便。
2計(ji)量原理與(yu)整機設計(ji)
2.1計量原理(li)
　　如圖1所示(shi),浮子放于(yu)垂直的錐(zhui)形管道中(zhong),随着流體(ti)速度的變(bian)化而上下(xia)移動。浮子(zi)受重力、浮(fu)力、迎流壓(ya)差阻力及(ji)粘性🤩應力(li)的作用,當(dang)浮子在垂(chui)直方向上(shang)合力爲零(ling)時達到平(ping)衡狀态,浮(fu)子處于某(mou)一穩定的(de)位置。當來(lai)👅流速度變(bian)化時,浮子(zi)向下與向(xiang)上的作用(yong)♻️力達到一(yi)個新的平(ping)衡狀态,浮(fu)子又處于(yu)一個新的(de)🔅穩定位置(zhi)。
 
　　在針對浮(fu)子流量計(ji)理論推導(dao)流量公式(shi)的分析過(guo)程中,本🧑🏽‍🤝‍🧑🏻文(wen)👌既沒有采(cai)納早期的(de)J.C.Whitwell和D.S.Plumb的理論(lun)推導成果(guo),也沒🔞有采(cai)納現今以(yi)W.Miler的研究成(cheng)果[2爲代表(biao)的流量公(gong)式,因爲🈲兩(liang)者都是根(gen)據經典伯(bo)努力方程(cheng)推導得到(dao)⛷️的浮子截(jie)❌流壓差與(yu)流體連續(xu)方程聯解(jie),其中,Whitwell和Plumb未(wei)♉考慮工作(zuo)浮子受力(li)平衡關系(xi),因此未獲(huo)得既反映(ying)流體特性(xing)又☎️反😘映浮(fu)子特性的(de)通用流量(liang)方程;Miller雖然(ran)🌍考慮了工(gong)🐅作浮子受(shou)力平衡關(guan)系,但在聯(lian)解推導中(zhong)忽♊略了浮(fu)子自身高(gao)度的影響(xiang)，他推出💰的(de)流量方程(cheng)[43與經典類(lei)比推理法(fa)中導得的(de)方程完全(quan)相同。爲提(ti)高浮子流(liu)量計的測(ce)量精度,本(ben)文依照李(li)⚽景鶴等1994年(nian)推導出的(de)浮子流量(liang)計普❤️遍📐流(liu)量方程中(zhong)設計出一(yi)定流量範(fan)圍的金屬(shu)管浮子流(liu)量👌計,并通(tong)過第5部分(fen)的實際樣(yang)💃機标定進(jin)--步證實了(le)該方程的(de)科學性。該(gai)🏃🏻流量方程(cheng)适用于氣(qi)體和液體(ti)的測量,同(tong)時又适用(yong)🤞于不同形(xing)狀的浮子(zi),公式爲:
 
　　式(shi)中Qv一體積(ji)流量(m/s)
α一流(liu)量系數
DD一(yi)标尺零點(dian)處錐形管(guan)直徑
h一浮(fu)子高度位(wei)置
φ一錐形(xing)管錐半角(jiao)
Vf一浮子體(ti)積
ρf一浮子(zi)材料密度(du)
ρ一流體密(mi)度
Sf一浮子(zi)垂直于流(liu)向的最大(da)截面積
β一(yi)浮子形狀(zhuang)因子
β定義(yi)爲:
β=△hSf/V,(2)
　　式中△h一(yi)浮子節流(liu)幾何高度(du)
　　可見,幾何(he)相似的浮(fu)子,β值相同(tong)。
　　分析(1)式可(ke)知,對某--特(te)定結構的(de)浮子流量(liang)計，即錐管(guan)的錐👨‍❤️‍👨度與(yu)浮子形狀(zhuang)一定,浮子(zi)的流量Qv與(yu)浮子高度(du)h之間爲非(fei)線性關系(xi)。早期‼️的浮(fu)子流量計(ji)用減小錐(zhui)🐉度的方法(fa)來降低二(er)次項的影(ying)響，要達到(dao)一定的流(liu)量測量量(liang)程必需延(yan)長錐管的(de)長度,從而(er)導緻加工(gong)困難及安(an)裝不便,目(mu)前通行的(de)金屬管浮(fu)子流量計(ji)♈總高度趨(qu)向于250mm,錐管(guan)高度爲60~70mm,二(er)次項引入(ru)的非線性(xing)已不可忽(hu)略，采用某(mou)種方法的(de)非線性機(ji)械結構進(jin)🌍行流量運(yun)算顯然不(bu)可能具有(you)精度高的(de)計算結果(guo)🔞。本文用計(ji)算機計算(suan)流量,極大(da)🍉地提高了(le)計算‼️精度(du),同時提供(gong)良好的人(ren)機界面。
2.2整(zheng)機結構設(she)計
 
　　電容角(jiao)位移式金(jin)屬管浮子(zi)流量計測(ce)量原理圖(tu)示于㊙️圖2,由(you)傳感器、轉(zhuan)換器、智能(neng)信号處理(li)器三部分(fen)組成。由于(yu)浮子内嵌(qian)磁鋼,當浮(fu)子.上下移(yi)動時，磁鋼(gang)同時.上下(xia)♍移動,與錐(zhui)管外🏃🏻一端(duan)嵌有小磁(ci)😘鋼的機械(xie)連杆機構(gou)形成内外(wai)磁鋼磁路(lu)耦合,内磁(ci)鋼🍓的運動(dong)将引起外(wai)磁鋼🏃的位(wei)移,從而引(yin)起連杆轉(zhuan)動一定角(jiao)度0,将浮子(zi)直線☔位移(yi)轉換成角(jiao)度的位移(yi),本文利用(yong)電容角位(wei)移傳感器(qi)将角度💯的(de)變化轉換(huan)爲電容量(liang)值C的變化(hua),再經信号(hao)處理電路(lu)将電容值(zhi)的變化轉(zhuan)化爲電壓(ya)信号Vout最終(zhong)使檢測電(dian)路的輸出(chu)信号幅值(zhi)反📧映流體(ti)瞬時流量(liang)的大小,有(you):
 
　　轉換器爲(wei)一端嵌有(you)磁鋼的機(ji)械連杆機(ji)構和電容(rong)角🌏位移式(shi)傳感器組(zu)成,智能信(xin)号處理器(qi)由單片機(ji)✌️及外圍電(dian)路組成。
3轉(zhuan)換器的設(she)計
3.1角位移(yi)敏感元件(jian)設計
　　本文(wen)給出一種(zhong)具有較好(hao)魯棒性的(de)精度高的(de)電容角.位(wei)移🏒傳感器(qi)。遵從以下(xia)設計方法(fa),使得傳統(tong)的電‼️容式(shi)角位移傳(chuan)👅感器的拓(tuo)☂️撲結構及(ji)測量原理(li)發生根本(ben)性轉變。
1)因(yin)正弦激勵(li)複雜，價格(ge)昂貴,因此(ci)去除傳統(tong)電容式角(jiao)位移🧑🏾‍🤝‍🧑🏼傳感(gan)器所需的(de)正弦激勵(li)電壓,采用(yong)方波脈沖(chong)激🙇‍♀️勵，從而(er)避免了諧(xie)波幹擾,放(fang)大不匹配(pei)及相誤差(cha);
2)爲盡可能(neng)完全實現(xian)電磁屏蔽(bi)功能,傳感(gan)器有效面(mian)積周圍⛷️設(she)有保護環(huan)和保護面(mian)與傳感器(qi)地連接。圖(tu)3爲電容敏(min)感元件拓(tuo)撲結構示(shi)意圖。主要(yao)由3個同.軸(zhou)且彼此平(ping)行的極闆(pan)組☀️成:
 
●作爲(wei)接收極的(de)固定且爲(wei)一整體的(de)導電圓盤(pan)極闆💜4;
●作爲(wei)轉動極的(de)金屬分瓣(ban)極闆5;
●作爲(wei)發射極的(de)固定分瓣(ban)式導電圓(yuan)盤極闆6。
　　這(zhe)3個極闆中(zhong)心通過轉(zhuan)軸1,轉軸裝(zhuang)有兩個滾(gun)動軸承，裝(zhuang)配時,保🔴證(zheng)動極闆和(he)轉軸一起(qi)轉動,4.5.6相對(dui)間隙應盡(jin)可能小。将(jiang)發射極闆(pan)分割成面(mian)積相等但(dan)彼此間🐅電(dian)氣隔離的(de)8個可作爲(wei)發射極的(de)單元✍️s1~s8,每瓣(ban)近似爲45°,相(xiang)鄰兩片間(jian)隙盡可能(neng)小,以獲得(de)較大的電(dian)容量;接收(shou)極闆接收(shou)來自發射(she)極闆的感(gan)生電荷,設(she)計中，發射(she)與接收極(ji)闆内部和(he)外部都有(you)接地保護(hu)環,以屏蔽(bi)電磁幹擾(rao),如圖2中2、3所(suo)示;轉動極(ji)闆由4個角(jiao)度相同(45°)間(jian)隔相同(45°)的(de)金屬葉片(pian)組成。動極(ji)闆葉片轉(zhuan)動的角❄️度(du)θ決定了發(fa)射極闆接(jie)收極闆🐉之(zhi)間8個電容(rong)值及相應(ying)感生電荷(he)的大小。即(ji)在一定激(ji)勵脈沖信(xin)号模:式👉的(de)作用下發(fa)射極闆和(he)接收極闆(pan)之間産生(sheng)電容。
　　根據(ju)設計需要(yao),浮子行程(cheng)決定機械(xie)連杆的實(shi)際轉角θ相(xiang)對變化⭐範(fan)圍約爲30°,因(yin)此，考慮電(dian)場的邊緣(yuan)效應,設計(ji)時應有一(yi)定冗餘,故(gu)将電容敏(min)感元件設(she)計成能夠(gou)對45°的絕對(dui)角位移🔴進(jin)行檢測即(ji)可📐。同時爲(wei)提高檢測(ce)幅值,将s1.s3、s5、s7電(dian)氣連接,s2、s4、s6、s8電(dian)氣連接,檢(jian)測幅值提(ti)高4倍。本文(wen)研制的角(jiao)位移傳感(gan)器的機械(xie)連杆轉角(jiao)(約30°)小🌍于45°,若(ruo)僅在s1.s3、s5、s7施加(jia)🔞激勵電壓(ya),則45°内極闆(pan)間電容模(mo)型如圖4所(suo)示，360°内等效(xiao)計算模型(xing)可簡化爲(wei)🙇🏻圖5。
 
3.2信号處(chu)理
　　分析電(dian)容等效電(dian)路可知,簡(jian)化計算模(mo)型實際上(shang)忽略了電(dian)場的邊緣(yuan)效應,故通(tong)過(4)式簡化(hua)計算的電(dian)容值與真(zhen)實值應🙇🏻有(you)一💜定誤差(cha)。本文采用(yong)電容測量(liang)電🔞路對其(qi)電容實際(ji)值進🌂行檢(jian)測。圖6爲信(xin)号處理部(bu)分原理框(kuang)圖。傳感器(qi)電♉子線路(lu)前端爲一(yi)電荷檢測(ce)器🔞,以降低(di)電路✂️對高(gao)頻信号的(de)靈敏度,同(tong)時提高了(le)對電磁場(chang)幹擾的🏃🏻适(shi)應能力。因(yin)被🔞測電容(rong)量值很小(xiao),隻有13pF左右(you),故采取充(chong)放電法測(ce)量電容🏃‍♀️，與(yu)傳統方法(fa)不同,本文(wen)采用的是(shi)一🌈種抗寄(ji)生幹擾的(de)微小電容(rong)測量電路(lu)。
 
4智能化設(she)計
4.1流量計(ji)算與刻度(du)換算
　　前已(yi)提及公式(shi)(1)中流量Q與(yu)浮子高度(du)h間存在非(fei)線性關🚩系(xi);另外,如被(bei)測介質密(mi)度、溫度、壓(ya)力與标定(ding)介質不同(tong),浮子處于(yu)同一高度(du)時,所反映(ying)出的流量(liang)值并不相(xiang)同,爲提高(gao)計算精度(du)及自動完(wan)成刻度換(huan)算,引入計(ji)算機技術(shu),改變㊙️了傳(chuan)統的金屬(shu)管浮子流(liu)量計必須(xu)根據被🍓測(ce)介質的密(mi)度進行逐(zhu)台設計制(zhi)造,或在量(liang)程範圍滿(man)足工況條(tiao)件時,現場(chang)通過人工(gong)方法進行(hang)刻度換算(suan)的狀況，智(zhi)能化水平(ping)♊得到較大(da)提高。
　　理論(lun).上液體與(yu)氣體流量(liang)測量的密(mi)度修正公(gong)式分别如(ru)下:
4.1.1液體流(liu)量的修正(zheng)公式可由(you)流量方程(cheng)(1)導出被
　　測(ce)液體密度(du)不同于标(biao)定水時的(de)流量修正(zheng)公式:
 
4.2硬件(jian)設計
　　智能(neng)信号處理(li)器的硬件(jian)原理如圖(tu)7所示,其核(he)心部件爲(wei)美國某公(gong)司的PIC單片(pian)機,其内部(bu)集成了ROM、RAM、定(ding)時器、數據(ju)采集器、看(kan)門狗電路(lu)、上電複位(wei)電路,可節(jie)省大量外(wai)圍🆚電路。
 
4.3軟(ruan)件設計
　　軟(ruan)件設計流(liu)程如圖8所(suo)示。可實現(xian)雙排8位LCD同(tong)時顯示累(lei)積💞流量和(he)瞬時流量(liang);通過儀表(biao)界面3個按(an)鍵可将标(biao)定🏃🏻曲線系(xi)數、小數位(wei)數👌、被測介(jie)質的密度(du)、溫度、壓力(li)、壓縮系數(shu)等工況參(can)數直接置(zhi)入單片機(ji),自動完成(cheng)刻度換算(suan),實現流量(liang)的正确測(ce)量,給不🔞同(tong)要求用戶(hu)的使用帶(dai)來極大方(fang)便,無需逐(zhu)台設計制(zhi)造,與國際(ji)同類研究(jiu)成果相比(bi)較,顯示出(chu)更強的智(zhi)能化水平(ping)。
 
5樣機标定(ding)
　　PIC單片機與(yu)錐管中内(nei)嵌磁鋼的(de)浮子、電容(rong)角位移傳(chuan)感器、硬件(jian)信号處理(li)電路相配(pei)合構成3台(tai)(15mm、50mm、80mm口徑)電容(rong)角位移式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(ji)樣機。該樣(yang)機在如圖(tu)9所示的🈲實(shi)驗标定裝(zhuang)置上進行(hang)标定，高位(wei)水塔高36m,實(shi)現穩定水(shui)壓，以保持(chi)流量恒定(ding)。标準表選(xuan)擇電磁流(liu)量計,誤差(cha)爲0.2%。标定步(bu)驟:
 
1)利用彙(hui)編語言設(she)計浮子流(liu)量計專用(yong)标定軟件(jian)。标定點6點(dian),每點3次,正(zheng)反行程各(ge)5次,記錄樣(yang)機瞬時電(dian)壓采樣♍值(zhi)(V/s)與标準💯表(biao)瞬時流量(liang)值(m³/h),對6個标(biao)定點處的(de)平均值樣(yang)本進行3階(jie)拟合,得到(dao)V/s-m³/h的函數關(guan)系(4),即Q=Q(Vout),通式(shi)爲:
Q=A+B1*V+B2*V²+B3*V³;(12)
2)将第一(yi)步得到的(de)函數關系(xi)寫入單片(pian)機中,使得(de)樣機.顯示(shi)輸出爲瞬(shun)時流量m³/h和(he)累計流量(liang)m3,再次标定(ding),标定點6點(dian),正反行🐆程(cheng)各🏃‍♂️作3次,對(dui)比樣機與(yu)标準表的(de)瞬時流量(liang),分析樣機(ji)誤差,标定(ding)數據見表(biao)1。 15mm、50mm、80mm口徑的樣(yang)機标定時(shi)，其流量範(fan)圍分别爲(wei)0.04~0.4m³/h、0.63~6.3m³/h、4~40m³/h,
量程比爲(wei)10:1。
　　滿度相對(dui)誤差計算(suan)公式爲:
 
 
6結(jie)論
　　電容角(jiao)位移式智(zhi)能金屬管(guan)浮子流量(liang)計研究結(jie)果🎯表👣明:
　　本(ben)文依據李(li)景鶴等推(tui)導出的浮(fu)子流量計(ji)普遍流量(liang)方程,适用(yong)于氣體、液(ye)體測量,并(bing)兼顧浮子(zi)形狀影響(xiang),從而爲本(ben)文研究般(ban)溪子流量(liang)計測量精(jing)度的提高(gao)提供了理(li)論保障;
　　無(wu)需根據被(bei)測介質的(de)密度、使用(yong)工況條件(jian)和流量🌍範(fan)圍進行逐(zhu)台設計制(zhi)造,将給生(sheng)産廠商和(he)使用部㊙️門(men)帶♉來極大(da)的方便;
　　改(gai)變了國内(nei)金屬管浮(fu)子流量計(ji)引進産品(pin)和國産産(chan)品中因采(cai)☔用機械結(jie)構進行流(liu)量計算而(er)導緻精度(du)較低的狀(zhuang)況;
　　用電容(rong)角位移式(shi)傳感器測(ce)量浮子位(wei)移,配合PIC單(dan)片機組成(cheng)的新🏃‍♂️型智(zhi)能金屬管(guan)浮子流量(liang)計,運用實(shi)驗标定數(shu)據的方法(fa)得🐪到該🈲流(liu)量計瞬時(shi)流量的精(jing)度✊爲1級,通(tong)過對這3種(zhong)口徑的樣(yang)機連續運(yun)行數月後(hou)重新标定(ding),精度并未(wei)發生變化(hua),證實了該(gai)儀表的可(ke)靠🏃‍♀️性。

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