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植物油管道流量計(jì)高粘度變流速自適應(yīng)研究
點(diǎn)擊次數(shù)：2685 發(fā)布時(shí)間：2021-01-19 14:57:12
摘要：植物油管道流量計(jì)應(yīng)用十分廣泛，但是當(dāng)被測介質(zhì)運(yùn)動(dòng)粘度較高時(shí)，渦輪流量傳感器儀表系數(shù)隨著流速的增加而變化，波動(dòng)較大，其變化規(guī)律呈現(xiàn)非線性。本文研究了口徑為DN10的植物油管道流量計(jì)在流體介質(zhì)粘度為43.49cSt條件下其儀表系數(shù)隨流速變化的規(guī)律，通過在可變粘度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出了高粘度植物油管道流量計(jì)流速修正算法，運(yùn)用該算法，可以將植物油管道流量計(jì)的儀表系數(shù)精度由4.4%提高到0.83%，并對此算法了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該算法的有效性。
植物油管道流量計(jì)在流量測量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量以及科學(xué)計(jì)量。渦輪流量傳感器屬于速度式流量計(jì)，它的工作原理是利用流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計(jì)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，流體流過的體積流量和渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，以此來計(jì)算被測流體的體積流量。一般的，我們把植物油管道流量計(jì)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)與實(shí)際流過流量的比值稱為植物油管道流量計(jì)的儀表系數(shù)。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置上進(jìn)行標(biāo)定，即通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出該渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。由此可見，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精確度直接影響著*終流量數(shù)據(jù)測算的精確度。
但是，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的大量實(shí)驗(yàn)證明，被測流體介質(zhì)的粘度對植物油管道流量計(jì)測量時(shí)的儀表系數(shù)有著很大的影響，當(dāng)被測介質(zhì)為水或者低粘度介質(zhì)且流量高于0.5L/s時(shí)，植物油管道流量計(jì)儀表系數(shù)基本保持恒定，但當(dāng)被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數(shù)會一直隨著粘度的增加而增加，尤其是當(dāng)介質(zhì)粘度高于50cSt時(shí)，其線性范圍完全消失。在實(shí)際的流量測量過程當(dāng)中，測量高粘度油品介質(zhì)時(shí)，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現(xiàn)流量波動(dòng)，植物油管道流量計(jì)就會產(chǎn)生較大誤差。所以，對植物油管道流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下的儀表系數(shù)進(jìn)行分析有非常重要的意義。
1實(shí)驗(yàn)裝置
為研究植物油管道流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下儀表系數(shù)的變化規(guī)律，使用中航工業(yè)4113計(jì)量站可變粘度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，其有著很好的高低溫性能，正常使用溫度范圍為-40℃～200℃，短期可達(dá)220℃。管道內(nèi)潤滑油的流量大小由變頻油泵控制，變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，可以對航空潤滑油進(jìn)行加熱，以此來改變被測介質(zhì)的粘度。對溫度的控制使用可編程邏輯控制器，內(nèi)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(gòu)成閉合溫度控制回路，保證油品介質(zhì)在管道內(nèi)高速循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度范圍是-30℃~155℃，油溫控制的精度為±5%，標(biāo)準(zhǔn)秤的測量精度為0.02%，裝置不確定度為0.05%。裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
2實(shí)驗(yàn)原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱重法，即在固定的時(shí)間內(nèi)，使用電腦采集植物油管道流量計(jì)輸出脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)將流過的流體全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中稱重，除以對應(yīng)密度來計(jì)算流過的真實(shí)體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出植物油管道流量計(jì)的儀表系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)開始前*先開啟油泵，使?jié)櫥驮诠艿纼?nèi)勻速循環(huán)流動(dòng)，根據(jù)已知的介質(zhì)粘度與溫度的對應(yīng)關(guān)系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應(yīng)的溫度，然后開始對介質(zhì)加熱，使裝置內(nèi)的介質(zhì)達(dá)到設(shè)定的溫度及其對應(yīng)的粘度。實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)員在上位機(jī)電腦上點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)開始，換向閥立即動(dòng)作，流過植物油管道流量計(jì)的流體會全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中，與此同時(shí)電腦開始計(jì)時(shí)并采集渦輪流量傳感器的輸出脈沖數(shù)，經(jīng)過一分鐘后停止，標(biāo)準(zhǔn)秤會自動(dòng)上傳流體累積質(zhì)量至上位機(jī)，上位機(jī)通過該介質(zhì)溫度密度對應(yīng)表再計(jì)算出體積，再通過體積除以脈沖總個(gè)數(shù)得到儀表系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的程序會記錄單次實(shí)驗(yàn)持續(xù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、累積總脈沖數(shù)、累積質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、流體當(dāng)前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中選擇10℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，對應(yīng)的流體介質(zhì)的粘度為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(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實(shí)驗(yàn)中每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數(shù)作為此流量點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點(diǎn)儀表系數(shù)*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數(shù)。
依照國標(biāo)植物油管道流量計(jì)檢定規(guī)程，累積流量的相對示值誤差為：
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測得在流體介質(zhì)的粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個(gè)實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki如表1所示。
使用函數(shù)擬合軟件Originpro2017對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。
使用Origin軟件中的四次多項(xiàng)式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如下函數(shù)，其中流速為自變量X，儀表系數(shù)為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。
表2為各對應(yīng)流量點(diǎn)的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
如果直接采用各個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)取平均值得儀表系數(shù)為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點(diǎn)對應(yīng)儀表系數(shù)誤差。
為證明該高粘度變流速自適應(yīng)算法及公式的有效性，重新選取四個(gè)流量點(diǎn)：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進(jìn)行精度驗(yàn)證，得到表4數(shù)據(jù)，表5為各對應(yīng)流量點(diǎn)的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過這種高粘度變流速自適應(yīng)算法修正后，儀表系數(shù)精度提高到0.83%。如果只是簡單將儀表系數(shù)取平均，*大誤差將達(dá)到4.4%。而且從修正后儀表系數(shù)誤差值與未經(jīng)過修正儀表系數(shù)誤差值相比，基本各個(gè)流量點(diǎn)精度都有較大的提升。
5結(jié)論
本文對高粘度下植物油管道流量計(jì)在測量變流速流體介質(zhì)時(shí)的儀表系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)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流速范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并提出一種高粘度變流速自適應(yīng)算法，該高粘度變流速算法能夠?qū)x表系數(shù)精度由4.4%提高到0.83%，并對此進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明此算法確實(shí)能夠大幅提高植物油管道流量計(jì)的測量精度。
植物油管道流量計(jì)在流量測量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量以及科學(xué)計(jì)量。渦輪流量傳感器屬于速度式流量計(jì)，它的工作原理是利用流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計(jì)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，流體流過的體積流量和渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，以此來計(jì)算被測流體的體積流量。一般的，我們把植物油管道流量計(jì)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)與實(shí)際流過流量的比值稱為植物油管道流量計(jì)的儀表系數(shù)。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置上進(jìn)行標(biāo)定，即通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出該渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。由此可見，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精確度直接影響著*終流量數(shù)據(jù)測算的精確度。
但是，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的大量實(shí)驗(yàn)證明，被測流體介質(zhì)的粘度對植物油管道流量計(jì)測量時(shí)的儀表系數(shù)有著很大的影響，當(dāng)被測介質(zhì)為水或者低粘度介質(zhì)且流量高于0.5L/s時(shí)，植物油管道流量計(jì)儀表系數(shù)基本保持恒定，但當(dāng)被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數(shù)會一直隨著粘度的增加而增加，尤其是當(dāng)介質(zhì)粘度高于50cSt時(shí)，其線性范圍完全消失。在實(shí)際的流量測量過程當(dāng)中，測量高粘度油品介質(zhì)時(shí)，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現(xiàn)流量波動(dòng)，植物油管道流量計(jì)就會產(chǎn)生較大誤差。所以，對植物油管道流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下的儀表系數(shù)進(jìn)行分析有非常重要的意義。
1實(shí)驗(yàn)裝置
為研究植物油管道流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下儀表系數(shù)的變化規(guī)律，使用中航工業(yè)4113計(jì)量站可變粘度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，其有著很好的高低溫性能，正常使用溫度范圍為-40℃～200℃，短期可達(dá)220℃。管道內(nèi)潤滑油的流量大小由變頻油泵控制，變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，可以對航空潤滑油進(jìn)行加熱，以此來改變被測介質(zhì)的粘度。對溫度的控制使用可編程邏輯控制器，內(nèi)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(gòu)成閉合溫度控制回路，保證油品介質(zhì)在管道內(nèi)高速循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度范圍是-30℃~155℃，油溫控制的精度為±5%，標(biāo)準(zhǔn)秤的測量精度為0.02%，裝置不確定度為0.05%。裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
2實(shí)驗(yàn)原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱重法，即在固定的時(shí)間內(nèi)，使用電腦采集植物油管道流量計(jì)輸出脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)將流過的流體全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中稱重，除以對應(yīng)密度來計(jì)算流過的真實(shí)體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出植物油管道流量計(jì)的儀表系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)開始前*先開啟油泵，使?jié)櫥驮诠艿纼?nèi)勻速循環(huán)流動(dòng)，根據(jù)已知的介質(zhì)粘度與溫度的對應(yīng)關(guān)系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應(yīng)的溫度，然后開始對介質(zhì)加熱，使裝置內(nèi)的介質(zhì)達(dá)到設(shè)定的溫度及其對應(yīng)的粘度。實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)員在上位機(jī)電腦上點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)開始，換向閥立即動(dòng)作，流過植物油管道流量計(jì)的流體會全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中，與此同時(shí)電腦開始計(jì)時(shí)并采集渦輪流量傳感器的輸出脈沖數(shù)，經(jīng)過一分鐘后停止，標(biāo)準(zhǔn)秤會自動(dòng)上傳流體累積質(zhì)量至上位機(jī)，上位機(jī)通過該介質(zhì)溫度密度對應(yīng)表再計(jì)算出體積，再通過體積除以脈沖總個(gè)數(shù)得到儀表系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的程序會記錄單次實(shí)驗(yàn)持續(xù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、累積總脈沖數(shù)、累積質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、流體當(dāng)前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中選擇10℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，對應(yīng)的流體介質(zhì)的粘度為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(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實(shí)驗(yàn)中每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數(shù)作為此流量點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點(diǎn)儀表系數(shù)*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數(shù)。
依照國標(biāo)植物油管道流量計(jì)檢定規(guī)程，累積流量的相對示值誤差為：
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測得在流體介質(zhì)的粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個(gè)實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki如表1所示。
使用函數(shù)擬合軟件Originpro2017對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。
使用Origin軟件中的四次多項(xiàng)式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如下函數(shù)，其中流速為自變量X，儀表系數(shù)為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。
表2為各對應(yīng)流量點(diǎn)的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
如果直接采用各個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)取平均值得儀表系數(shù)為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點(diǎn)對應(yīng)儀表系數(shù)誤差。
為證明該高粘度變流速自適應(yīng)算法及公式的有效性，重新選取四個(gè)流量點(diǎn)：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進(jìn)行精度驗(yàn)證，得到表4數(shù)據(jù)，表5為各對應(yīng)流量點(diǎn)的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過這種高粘度變流速自適應(yīng)算法修正后，儀表系數(shù)精度提高到0.83%。如果只是簡單將儀表系數(shù)取平均，*大誤差將達(dá)到4.4%。而且從修正后儀表系數(shù)誤差值與未經(jīng)過修正儀表系數(shù)誤差值相比，基本各個(gè)流量點(diǎn)精度都有較大的提升。
5結(jié)論
本文對高粘度下植物油管道流量計(jì)在測量變流速流體介質(zhì)時(shí)的儀表系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)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流速范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并提出一種高粘度變流速自適應(yīng)算法，該高粘度變流速算法能夠?qū)x表系數(shù)精度由4.4%提高到0.83%，并對此進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明此算法確實(shí)能夠大幅提高植物油管道流量計(jì)的測量精度。