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金属管浮子流量计 选用计算机检定系统提高精度



摘要:基于水流量标准装置计算机控制系统, 研究开发金属管浮子流量计的性能测试与检定实验。硬件采用数字量采集卡7505、脉冲量采集卡7606, 对流量标准装置上各种信号进行控制, 并实时采集测试、检定数据。通过软件编程, 对测试、检定结果进行数据处理、曲线拟合。实验表明, 实验者运用所学流体力学、检测技术、误差理论等方面的知识, 对金属管浮子流量计进行性能测试、检定、误差计算;并通过实验掌握三次曲线拟合在浮子流量计非线性特性处理上的应用。
流量的精确测量与国民经济、国防建设、科学研究等诸多领域有着密切关系, 对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展起着非常重要的作用。随着经济的快速发展, 对完成流量测量的流量计提出了更高的要求。因此, 本实验室研究开发了基于计算机的金属管浮子流量计检定实验系统, 实现了对金属管浮子流量计的性能测试和检定, 达到了金属管浮子流量计在实际应用中的准确定位的目的。
1、计算机控制系统的构成:
  水流量标准装置计算机控制系统[2]由计算机、高位水塔、流量实验装置、被检表 (金属管浮子流量计) 等组成。水流量标准装置计算机控制系统结构图如图1所示。
图1 水流量标准装置计算机控制系统结构图Fig.1 Computer control system for water flow standard device
图1 水流量标准装置计算机控制系统结构图Fig.1 Computer control system for water flow standard device
通观整个控制系统, 得知:
  计算机通过数字量采集卡7505完成电磁阀的开/关信号、换向器的开/关信号及底阀的开/关信号控制, 标准表的脉冲信号通过7606采集卡采入计算, 电子秤读数信号通过RS232串行通讯接口与计算机进行通讯。[3]通过软件编程, [4,5]对检定测试结果进行数据处理、线性拟合等。
高位水塔起稳定水头作用, 保证整个实验过程的流量稳定。标准表和被检表串联在实验管路中, 根据流体流动连续性原理, 在定常流动下, 流过它们的流量是相等的。经标准砝码调校电子秤可使其精度比标准表精度高出3倍, 因此用称重法检定标准表, 然后再用标准表检定被校表。用称重法检定仪表朔源性好, 但工作效率低, 故一般实验用标准表进行, 并定期对标准表进行检定。[6]
2、水流量标准装置:
  实验装置结构图如图2所示:
图2 标准表法—称重法液体流量标准装置Fig.2 Liquid flow standard device using standard meter method-weighing method
图2 标准表法—称重法液体流量标准装置Fig.2 Liquid flow standard device using standard meter method-weighing method
  1—过滤罐;2—标准表组;3—球阀组;4—平衡罐;5—进水总阀;6—排污阀;7—被检表;8—水平卡表;9—电子秤;10—放水阀;11—称量罐;12—换向器材;13—喷嘴;14—竖直卡表器;15—浮子流量计;16—上下支撑板;17—调节阀组
工作过程:用水泵将水池中的水打入水塔, 在整个实验过程中使水塔处于溢流状态, 以保证系统的压头不变。待水流稳定后, 打开截止阀, 水通过标准表、上游直管段、被检流量计、下游直管段、夹表器、调节阀、换向器, 流出实验管路。
3、金属管浮子流量计检定实验研究:
  浮子流量传感器又称转子流量传感器。[7]本实验室用到的被检定浮子流量计是金属管浮子流量计, 而金属管浮子流量计的检定实验是流量检测技术实验的重点, 也是本控制系统设计的重点。
  金属管浮子流量计引入计算机技术取代凸轮机械结构进行流量计算, 将流量信号通过传感器、转换器由数字液晶显示出来, 并通过键盘置入密度、温度、压力等工况参数, 具有智能化、高精度、使用方便、工作可靠等特点。
  流量传感器是将非电量的流量信号转化为电量信号的感应装置, 金属管转子流量计输出的则是电压信号。[8]由于其流量-电压特性有较强的非线性, 常用最小二乘法对其进行三次曲线拟合。
3.1、实验原理:
  金属管浮子流量计管体由锥管和浮子组成, 当流体自下而上流入锥管时, 被浮子节流, 当流体作用在浮子的动压力、浮子在流体中的浮力、浮子的重力达到平衡时, 浮子就平稳地浮在锥管内某一位置上。浮子在锥管中的位置与流体流经锥管流量的大小一一对应。其浮子位置高度是由角位移传感器检测并转换成电压信号。因此, 某一个流量点Q对应一个电压值, 实验要求在各流量点下正反行程各进行3次实验, 将其平均值作为输出电压V0。用实验数据拟合出Q~V0的关系式, 再次进行流量检定实验, 以验证拟合公式的拟合精度。
3.2、金属管浮子流量计性能测试:
  在浮子流量计的流量范围内选择6~7个流量点 (最好是均匀分布的, 且由标准涡轮流量计读取) , 调节阀门达到所要求的流量值点Q (瞬时流量m3/h) , 测出与流量点Q对应的浮子输出电压V (从浮子的液晶显示上读得) 。
从小流量向大流量测量称正行程, 反之称反行程。正反行程各3次, 当测量数据全部测量完成时, 计算机自动将各流量点的电压平均值V0计算出来。
3.3、拟合曲线Q~V0:
根据图3检定测试的数据, 在图3窗口按按钮计算机自动完成用最小二乘法拟合3次曲线[9] (实质为:若拟合n次曲线, 则n+1个待定系数, 需解n+1元一次线性方程组, 此程序用高斯消去法求解) , 求得浮子电压—流量特性曲线如图4, 并得出拟合公式。
图3 检定测试数据Fig.3 Calibration testing data
图3 检定测试数据Fig.3 Calibration testing data
 
图4 Q~V0曲线拟合Fig.4 Q~V0curve fitting
图4 Q~V0曲线拟合Fig.4 Q~V0curve fitting
 
拟合公式:
计算公式
 
3.4、金属管浮子流量计的检定:
再次选定5~6个流量点进行测试, 将这些点的浮子流量计的输出电压代入拟合公式, 计算出通过浮子的流量。金属管浮子流量计的检定计算结果如图5所示。在图5中, 涡轮流量是指标准表流量, 拟合曲线流量指将浮子电压带入3次拟合曲线公式后计算得到的浮子流量计的流量。
将浮子流量计的流量Q与标准表测得的流量Q0带入计算满度误差[10]公式 (2) , 进而求得对应的满度误差E, 并找出最大满度误差Emax。
图5 金属管浮子流量计的检定结果Fig.5 Calibration result of the meal tube rotameter
图5 金属管浮子流量计的检定结果Fig.5 Calibration result of the meal tube rotameter
 
计算满度误差:
计算公式
 
4、结语:
  随着计算机技术的飞速发展, 高等教育的深化改革, 教学质量的不断提高, 原有的实验设备就显得落后了。在原有的高位水塔的基础上, 对实验设备进行了改造和扩建。除了保留称重显示仪以获取电子秤的读数, 其余工作如定时、控制换向器动作、控制底阀开关、脉冲计数等都由计算机完成。实验中做到实时控制、实时采集数据, 并及时对数据进行相应的计算、处理。用一台计算机取代了原来繁多的仪器仪表, 这使得系统的整体结构趋于简单, 自动化程度更高, 实验手段更加先进, 激发了学生的学习兴趣。学生通过实验过程, 不仅对这门课加深了理解, 而且对本专业其他课加以应用;拓宽了知识面, 感受到了计算机控制系统在流量测量领域中的实际应用。同时, 基于计算机的金属管浮子流量计检定实验系统的建成, 为自动化专业以及从事流量测量方面的研究人员提供了一个良好的实验平台。


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