流量的精確測量與國民經濟、國防建設、科學研究等諸多領域有著密切關系, 對保證產品質量、提高生產效率、促進科學技術的發展起著非常重要的作用。隨著經濟的快速發展, 對完成流量測量的流量計提出了更高的要求。因此, 本實驗室研究開發了基于計算機的金屬管浮子流量計檢定實驗系統, 實現了對金屬管浮子流量計的性能測試和檢定, 達到了金屬管浮子流量計在實際應用中的準確定位的目的。

 

1、計算機控制系統的構成：

  水流量標準裝置計算機控制系統[2]由計算機、高位水塔、流量實驗裝置、被檢表 (金屬管浮子流量計) 等組成。水流量標準裝置計算機控制系統結構圖如圖1所示。

 

圖1  水流量標準裝置計算機控制系統結構圖

 

    通觀整個控制系統, 得知:

    計算機通過數字量采集卡7505完成電磁閥的開/關信號、換向器的開/關信號及底閥的開/關信號控制, 標準表的脈沖信號通過7606采集卡采入計算, 電子秤讀數信號通過RS232串行通訊接口與計算機進行通訊。通過軟件編程, 對檢定測試結果進行數據處理、線性擬合等。

    高位水塔起穩定水頭作用, 保證整個實驗過程的流量穩定。標準表和被檢表串聯在實驗管路中, 根據流體流動連續性原理, 在定常流動下, 流過它們的流量是相等的。經標準砝碼調校電子秤可使其精度比標準表精度高出3倍, 因此用稱重法檢定標準表, 然后再用標準表檢定被校表。用稱重法檢定儀表朔源性好, 但工作效率低, 故一般實驗用標準表進行, 并定期對標準表進行檢定。

 

2、水流量標準裝置：

    實驗裝置結構圖如圖2所示:

 

圖2  標準表法—稱重法液體流量標準裝置

 

    1—過濾罐;2—標準表組;3—球閥組;4—平衡罐;5—進水總閥;6—排污閥;7—被檢表;8—水平卡表;9—電子秤;10—放水閥;11—稱量罐;12—換向器材;13—噴嘴;14—豎直卡表器;15—浮子流量計;16—上下支撐板;17—調節閥組

    工作過程:用水泵將水池中的水打入水塔, 在整個實驗過程中使水塔處于溢流狀態, 以保證系統的壓頭不變。待水流穩定后, 打開截止閥, 水通過標準表、上游直管段、被檢流量計、下游直管段、夾表器、調節閥、換向器, 流出實驗管路。

 

3、金屬管浮子流量計檢定實驗研究：

    浮子流量傳感器又稱轉子流量傳感器。[7]本實驗室用到的被檢定浮子流量計是金屬管浮子流量計, 而金屬管浮子流量計的檢定實驗是流量檢測技術實驗的重點, 也是本控制系統設計的重點。

    金屬管浮子流量計引入計算機技術取代凸輪機械結構進行流量計算, 將流量信號通過傳感器、轉換器由數字液晶顯示出來, 并通過鍵盤置入密度、溫度、壓力等工況參數, 具有智能化、高精度、使用方便、工作可靠等特點。

    流量傳感器是將非電量的流量信號轉化為電量信號的感應裝置, 金屬管轉子流量計輸出的則是電壓信號。由于其流量-電壓特性有較強的非線性, 常用非常小二乘法對其進行三次曲線擬合。

 

3.1、實驗原理：

    金屬管浮子流量計管體由錐管和浮子組成, 當流體自下而上流入錐管時, 被浮子節流, 當流體作用在浮子的動壓力、浮子在流體中的浮力、浮子的重力達到平衡時, 浮子就平穩地浮在錐管內某一位置上。浮子在錐管中的位置與流體流經錐管流量的大小一一對應。其浮子位置高度是由角位移傳感器檢測并轉換成電壓信號。因此, 某一個流量點Q對應一個電壓值, 實驗要求在各流量點下正反行程各進行3次實驗, 將其平均值作為輸出電壓V0。用實驗數據擬合出Q~V0的關系式, 再次進行流量檢定實驗, 以驗證擬合公式的擬合精度。

 

3.2、金屬管浮子流量計性能測試：

    在浮子流量計的流量范圍內選擇6~7個流量點 (非常好是均勻分布的, 且由標準渦輪流量計讀取) , 調節閥門達到所要求的流量值點Q (瞬時流量m3/h) , 測出與流量點Q對應的浮子輸出電壓V (從浮子的液晶顯示上讀得) 。

    從小流量向大流量測量稱正行程, 反之稱反行程。正反行程各3次, 當測量數據全部測量完成時, 計算機自動將各流量點的電壓平均值V0計算出來。

 

3.3、擬合曲線Q~V0：

    根據圖3檢定測試的數據, 在圖3窗口按按鈕計算機自動完成用非常小二乘法擬合3次曲線[9] (實質為:若擬合n次曲線, 則n+1個待定系數, 需解n+1元一次線性方程組, 此程序用高斯消去法求解) , 求得浮子電壓—流量特性曲線如圖4, 并得出擬合公式。

 

圖3 檢定測試數據

 

圖4 Q~V0曲線擬合

 

    擬合公式:  

 

 

3.4、金屬管浮子流量計的檢定：

    再次選定5~6個流量點進行測試, 將這些點的浮子流量計的輸出電壓代入擬合公式, 計算出通過浮子的流量。金屬管浮子流量計的檢定計算結果如圖5所示。在圖5中, 渦輪流量是指標準表流量, 擬合曲線流量指將浮子電壓帶入3次擬合曲線公式后計算得到的浮子流量計的流量。

    將浮子流量計的流量Q與標準表測得的流量Q0帶入計算滿度誤差[10]公式 (2) , 進而求得對應的滿度誤差E, 并找出非常大滿度誤差Emax。

 

圖5 金屬管浮子流量計的檢定結果

 

    計算滿度誤差:

 

 

4、結語：

    隨著計算機技術的飛速發展, 高等教育的深化改革, 教學質量的不斷提高, 原有的實驗設備就顯得落后了。在原有的高位水塔的基礎上, 對實驗設備進行了改造和擴建。除了保留稱重顯示儀以獲取電子秤的讀數, 其余工作如定時、控制換向器動作、控制底閥開關、脈沖計數等都由計算機完成。實驗中做到實時控制、實時采集數據, 并及時對數據進行相應的計算、處理。用一臺計算機取代了原來繁多的儀器儀表, 這使得系統的整體結構趨于簡單, 自動化程度更高, 實驗手段更加先進, 激發了學生的學習興趣。學生通過實驗過程, 不僅對這門課加深了理解, 而且對本專業其他課加以應用;拓寬了知識面, 感受到了計算機控制系統在流量測量領域中的實際應用。同時, 基于計算機的金屬管浮子流量計檢定實驗系統的建成, 為自動化專業以及從事流量測量方面的研究人員提供了一個良好的實驗平臺。