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    渦輪流量計高粘度變流速自適應算法


    文章日期:2018-12-04|閱讀數:


    摘要:渦輪流量計應用十分廣泛, 但是當被測介質運動粘度較高時, 渦輪流量傳感器儀表係數隨着流速的增加而變化, 波動較大, 其變化規律呈現非線性。本文研究了口徑爲DN10的渦輪流量計在流體介質粘度爲43.49cSt條件下其儀表係數隨流速變化的規律, 通過在可變粘度標準裝置進行的實驗, 得到實驗數據, 擬合出了高粘度渦輪流量計流速修正算法, 運用該算法, 可以將渦輪流量計的儀表係數精度由4.4%提高到0.83%, 並對此算法了進行實驗驗證, 證明瞭該算法的有效性。

    引言:

      渦輪流量計在流量測量領域有着非常廣泛的應用, 可以用於工業油品測量, 民用自來水測量以及科學計量[1]。渦輪流量傳感器屬於速度式流量計, 它的工作原理是利用流體流動時產生的推力使渦輪流量計渦輪葉片轉動, 渦輪穩定轉速後, 流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比, 以此來計算被測流體的體積流量[2]。一般的, 我們把渦輪流量計單位時間內輸出的脈衝個數與實際流過流量的比值稱爲渦輪流量計的儀表係數。渦輪流量傳感器需要在投入使用前, 在標準計量裝置上進行標定, 即通過實驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表係數。由此可見, 渦輪流量傳感器的儀表係數度直接影響着***終流量數據測算的度。

      但是, 經過國內外科研人員的大量實驗證明, 被測流體介質的粘度對渦輪流量計測量時的儀表係數有着很大的影響, 當被測介質爲水或者低粘度介質且流量高於0.5L/s時, 渦輪流量計儀表係數基本保持恆定, 但當被測介質粘度升高, 儀表係數會一直隨着粘度的增加而增加, 尤其是當介質粘度高於50cSt時, 其線性範圍完全消失。在實際的流量測量過程當中, 測量高粘度油品介質時, 很難保證介質流速恆定, 一旦出現流量波動, 渦輪流量計就會產生較大誤差。所以, 對渦輪流量計在高粘度介質測量時不同流速下的儀表係數進行分析有非常重要的意義。

    1、實驗裝置:

      爲研究渦輪流量計在高粘度介質測量時不同流速下儀表係數的變化規律, 使用中航工業4113計量站可變粘度標準裝置進行實驗, 該裝置被測流體介質爲4050航空潤滑油, 其有着很好的高低溫性能, 正常使用溫度範圍爲-40℃~200℃, 短期可達220℃。管道內潤滑油的流量大小由變頻油泵控制, 變頻輸出電壓爲380~650V, 輸出功率爲0.75~400kW, 工作頻率爲0~400Hz, 它的主電路採用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加熱系統, 可以對航空潤滑油進行加熱, 以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控制使用可編程邏輯控制器, 內置PID算法, 由油箱中的溫度傳感器、油箱中的加熱器以及控制器構成閉合溫度控制迴路, 保證油品介質在管道內高速循環流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量範圍是0.5 m3/h~70 m3/h, 可變溫度範圍是-30℃~155℃, 油溫控制的精度爲±5%, 標準秤的測量精度爲0.02%, 裝置不確定度爲0.05%。裝置結構原理圖如圖1所示。

    圖1 系統整體結構圖

    圖1 系統整體結構圖

     

    2、實驗原理:

      該裝置的測量原理是靜態稱重法, 即在固定的時間內, 使用電腦採集渦輪流量計輸出脈衝個數, 同時將流過的流體全部引入到標準秤中稱重, 除以對應密度來計算流過的真實體積流量, ***終再用累積體積流量除以總脈衝個數計算出渦輪流量計的儀表係數。

      實驗開始前首先開啓油泵, 使潤滑油在管道內勻速循環流動, 根據已知的介質粘度與溫度的對應關係表, 選擇要測試的介質粘度所對應的溫度, 然後開始對介質加熱, 使裝置內的介質達到設定的溫度及其對應的粘度。實驗開始後, 實驗員在上位機電腦上點擊實驗開始, 換向閥立即動作, 流過渦輪流量計的流體會全部引入到標準秤中, 與此同時電腦開始計時並採集渦輪流量傳感器的輸出脈衝數, 經過一分鐘後停止, 標準秤會自動上傳流體累積質量至上位機, 上位機通過該介質溫度密度對應表再計算出體積, 再通過體積除以脈衝總個數得到儀表係數。在實驗過程中, 系統計算機中的程序會記錄單次實驗持續的實驗時間、累積總脈衝數、累積質量流量、瞬時流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。可變粘度液體標準裝置如圖2所示。

    圖2 可變粘度液體標準裝置實物圖

    圖2 可變粘度液體標準裝置實物圖

    3、實驗方案:

      實驗採用口徑爲DN10的渦輪流量傳感器, 如圖3所示。實驗中選擇10℃進行實驗測試, 對應的流體介質的粘度爲43.49cSt。選取0.3m3/h、0.5m3/h、0.7m3/h、0.9m3/h、1.1m3/h、1.3m3/h和1.5m3/h共7個流量點進行, 實驗流量範圍爲0.3m3/h到1.5m3/h。

    圖3 渦輪流量傳感器樣機實物圖

    圖3 渦輪流量傳感器樣機實物圖

     

      實驗中每個流量點均進行3次測量, (j=1, 2, 3) , 3次測量的平均儀表係數作爲此流量點的儀表係數Ki (i=1, 2, 3, 4, 5) , 各流量點儀表係數***小值與***大值的平均值, 作爲傳感器的儀表係數。

      依照國標渦輪流量計檢定規程, 累積流量的相對示值誤差爲:

    計算公式

     

      式中:Eij爲第i檢定點第j次檢定時, 傳感器相對示值誤差, %;

      Vij爲第i檢定點第j次檢定時, 渦輪流量計累積流量值, m3;

      (Vs) ij爲第i檢定點第j次檢定時, 標準累積體積流量值, m3;

      第i檢定點, 渦輪流量計流量計相對示值誤差的值爲[3]:

    計算公式

     

    4、實驗數據和結果:

      實驗測得在流體介質的粘度爲43.49cSt條件下, DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個實驗流量點的儀表係數Ki如表1所示。

    表1 流量點對應儀表係數 (1/L)  

    表1 流量點對應儀表係數 (1/L)

    使用函數擬合軟件Originpro 2017對所得數據進行擬合, Origin爲OriginLab公司出品的較流行的專業函數繪圖軟件, 是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件, 既可以滿足一般用戶的製圖需要, 也可以滿足用戶數據分析、函數擬合的需要。

    使用Origin軟件中的四次多項式polynomial擬合公式, 使用***小二乘法, 得到如下函數, 其中流速爲自變量X, 儀表係數爲因變量Y:

    計算公式

     

    圖4爲流量與儀表係數的擬合曲線圖。

      表2爲各對應流量點的擬合後儀表係數的誤差。

      如果直接採用各個流量點的儀表係數取平均值得儀表係數爲1610.68, 表3爲未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差。

    圖4 儀表係數擬合曲線圖

    圖4 儀表係數擬合曲線圖

     

    表2 擬合後各流量點對應儀表係數誤差 (%)

    表2 擬合後各流量點對應儀表係數誤差 (%)

    表3 未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差 (%)  

    表3 未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差 (%)

      爲證明該高粘度變流速自適應算法及公式的有效性, 重新選取四個流量點:0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進行精度驗證, 得到表4數據, 表5爲各對應流量點的擬合後儀表係數的誤差。

    表4 實驗測得流量點對應儀表係數 (1/L)

    表4 實驗測得流量點對應儀表係數 (1/L)

    表5 驗證實驗各流量點對應儀表係數誤差 (%)  

    表5 驗證實驗各流量點對應儀表係數誤差 (%)

      如果直接採用各個流量點的儀表係數取平均值得儀表係數爲1610.68, 表6爲未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差。

    表6 未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差 (%)

    表6 未採用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差 (%)

      實驗結果表明, 經過這種高粘度變流速自適應算法修正後, 儀表係數精度提高到0.83%。如果只是簡單將儀表係數取平均, ***大誤差將達到4.4%。而且從修正後儀表係數誤差值與未經過修正儀表係數誤差值相比, 基本各個流量點精度都有較大的提升。

    5、結論:

      本文對高粘度下渦輪流量計在測量變流速流體介質時的儀表係數變化規律進行了研究, 在43.49cSt粘度條件下, 使用DN10渦輪流量傳感器在0.3m3/h~1.5m3/h流速範圍內進行實驗, 並提出一種高粘度變流速自適應算法, 該高粘度變流速算法能夠將儀表係數精度由4.4%提高到0.83%, 並對此進行了驗證, 結果證明此算法確實能夠大幅提高渦輪流量計的測量精度。



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