智能小流量靶式流量計的研制

目前,對于小流量、高黏度的介質流量的測量有一定難度。

雖然,渦輪式、浮子式、電磁式或熱線式等流量計可用于小流量測量,但因這類流量計是采用機械部件測量流體的動力效應,或利用流動壓差進行測量的連通管或薄膜、活塞等專用設備,不僅制作及安裝均要求嚴格,其測量準確度也受到限制,如渦輪式流量計,在低流速時高黏度的流體會使得葉輪轉動得更慢,甚至在信號端上無法識別輸出的信號。

針對小流量、高黏度的特點,設計了一種智能小流量靶式流量計。它能夠在小流量、高黏度的條件下,以較高準確度測量介質流量。

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圓盤形靶。當流體流過靶時,使靶板正面中心處所受的壓力等于流體的動壓力,而靶的背面由于形成“死水區”和渦漩造成“抽吸效應”,使靶的前后有一個壓力差,這個壓力差對靶面造成一個作用力。

當有流體流經管道時,力F和流體平均速度v以及介質靶板面積A的關系為：

式中:F為靶板受力;CD為阻力系數,ρ為介質密度;v為流體平均流速;A為靶板面積。

式中:Qm為流體的質量流量,kg/h;QV為流體的體積流,m3/h;α為流量系數,它與靶尺寸和雷諾數有關;β為靶板與管道內徑之比;D為管道內徑,mm.

由式(2)、式(3)可知,只要測出靶板的作用力,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變片,構成全橋電路。當靶板受到力F的作用,4個應變片產生拉伸或壓縮應變ε,應變電橋兩端的電源電壓為U時,電橋兩端輸出電壓信號:

被測流體密度、管道內徑、靶片選定后,當管道雷諾數大于2 000時,流量系數α不變,k2為常數,此時應變片輸出電壓ΔU與流量成平方關系,這就是靶式流量計的基本測量原理。

2　小流量流動時流量系數α的補償

流量系數α與直徑比β及流體流動狀態有關,圖2是管徑D=50 mm,β=0·7和β=0·8的雷諾數ReD關系曲線,當ReD>2 000時,α基本保持不變;當ReD較小時,α隨ReD的降低而減少。使流量系數趨于恒定值時的管道雷諾數稱為靶式流量計的界限雷諾數,α可被認為是一個常數。ReD低于界限雷諾數時,α將隨ReD而變化,測量誤差變大,傳統的靶式流量計在ReD<2 000時無法測量。

可知,當小流量流動時,雷諾數變低,流量表達式的α將不是一個常數,必須進行修正才能減小測量誤差。采用實驗室標定的方法,獲得不同標準流量測得的電壓值,計算各自的實際流量系數值,取出出現拐點的標準流量與流量系數作為標準參考值存入Flash中。流量計工作時,根據A/D測得的電壓數據,判斷流量所處的范圍,取出實驗標定數據,利用內插的方法,求出相應的流量系數,計算出瞬時流量并顯示。

3 靶式流量計系統設計

智能型靶式流量計系統設計框圖如圖3所示,靶式流量傳感器上的電阻應變片接成全橋形式,經差動放大后接至A/D轉換口上,單片機和A/D轉換系統采用AduC812,它是全集成的12位數據采集系統,在單個芯片內部包含了高性能自校準多通道ADC(8通道12位高精度)以及可編程的8位MCU.單片機系統根據采樣測得的流量,計算相應的流量系數,將電壓信號轉換為流量表示。顯示模塊用于顯示當前瞬時流量和累加流量。按鍵控制單元用于儀器與用戶的人機交互,可設置管道比、流體密度等參數。PC接口電路用于實現多路流量計同時測量流量時的集中監視,當上位機發出一個儀器地址,相應的流量計就將該位置測到的流量信號送到上位機。溫度傳感器用于補償由于溫度變化引起流體密度變化的影響。

4　實驗結果

流體為高線軋機潤滑油,溫度為35℃,管道直徑50 mm,壓力6 MPa,測量范圍為5~50 L/min.油流量試驗裝置對靶式流量進行測試,其結果見表1。

5　結束語

研制的靶式流量計主要針對高黏度、小流量的流體測量,通過標定和智能修正流量系數的方法,計算當前合適的流量系數,減小高黏度、小流量測量誤差,達到小流量、高黏度流量的精確測量,且最低流速能夠測到5 L/min,儀表在量程范圍內儀用誤差小于0·5%。