智能小流量靶式流量计的研制

目前,对于小流量、高黏度的介质流量的测量有一定难度。

虽然,涡轮式、浮子式、电磁式或热线式等流量计可用于小流量测量,但因这类流量计是采用机械部件测量流体的动力效应,或利用流动压差进行测量的连通管或薄膜、活塞等专用设备,不仅制作及安装均要求严格,其测量准确度也受到限制,如涡轮式流量计,在低流速时高黏度的流体会使得叶轮转动得更慢,甚至在信号端上无法识别输出的信号。

针对小流量、高黏度的特点,设计了一种智能小流量靶式流量计。它能够在小流量、高黏度的条件下,以较高准确度测量介质流量。

1 靶式流量传感器工作原理

如图1所示,在管道的中心位置放置一个圆盘形靶。当流体流过靶时,使靶板正面中心处所受的压力等于流体的动压力,而靶的背面由于形成“死水区”和涡漩造成“抽吸效应”,使靶的前后有一个压力差,这个压力差对靶面造成一个作用力。

当有流体流经管道时,力F和流体平均速度v以及介质靶板面积A的关系为：

式中:F为靶板受力;CD为阻力系数,ρ为介质密度;v为流体平均流速;A为靶板面积。

式中:Qm为流体的质量流量,kg/h;QV为流体的体积流,m3/h;α为流量系数,它与靶尺寸和雷诺数有关;β为靶板与管道内径之比;D为管道内径,mm.

由式(2)、式(3)可知,只要测出靶板的作用力,即可算出流过靶板的流量。将靶板与靶杆连接在弹性元件上,在弹性元件上粘贴应变片,构成全桥电路。当靶板受到力F的作用,4个应变片产生拉伸或压缩应变ε,应变电桥两端的电源电压为U时,电桥两端输出电压信号:

被测流体密度、管道内径、靶片选定后,当管道雷诺数大于2 000时,流量系数α不变,k2为常数,此时应变片输出电压ΔU与流量成平方关系,这就是靶式流量计的基本测量原理。

2　小流量流动时流量系数α的补偿

流量系数α与直径比β及流体流动状态有关,图2是管径D=50 mm,β=0·7和β=0·8的雷诺数ReD关系曲线,当ReD>2 000时,α基本保持不变;当ReD较小时,α随ReD的降低而减少。使流量系数趋于恒定值时的管道雷诺数称为靶式流量计的界限雷诺数,α可被认为是一个常数。ReD低于界限雷诺数时,α将随ReD而变化,测量误差变大,传统的靶式流量计在ReD<2 000时无法测量。

可知,当小流量流动时,雷诺数变低,流量表达式的α将不是一个常数,必须进行修正才能减小测量误差。采用实验室标定的方法,获得不同标准流量测得的电压值,计算各自的实际流量系数值,取出出现拐点的标准流量与流量系数作为标准参考值存入Flash中。流量计工作时,根据A/D测得的电压数据,判断流量所处的范围,取出实验标定数据,利用内插的方法,求出相应的流量系数,计算出瞬时流量并显示。

3 靶式流量计系统设计

智能型靶式流量计系统设计框图如图3所示,靶式流量传感器上的电阻应变片接成全桥形式,经差动放大后接至A/D转换口上,单片机和A/D转换系统采用AduC812,它是全集成的12位数据采集系统,在单个芯片内部包含了高性能自校准多通道ADC(8通道12位高精度)以及可编程的8位MCU.单片机系统根据采样测得的流量,计算相应的流量系数,将电压信号转换为流量表示。显示模块用于显示当前瞬时流量和累加流量。按键控制单元用于仪器与用户的人机交互,可设置管道比、流体密度等参数。PC接口电路用于实现多路流量计同时测量流量时的集中监视,当上位机发出一个仪器地址,相应的流量计就将该位置测到的流量信号送到上位机。温度传感器用于补偿由于温度变化引起流体密度变化的影响。

4　实验结果

流体为高线轧机润滑油,温度为35℃,管道直径50 mm,压力6 MPa,测量范围为5~50 L/min.油流量试验装置对靶式流量进行测试,其结果见表1。

5　结束语

研制的靶式流量计主要针对高黏度、小流量的流体测量,通过标定和智能修正流量系数的方法,计算当前合适的流量系数,减小高黏度、小流量测量误差,达到小流量、高黏度流量的精确测量,且最低流速能够测到5 L/min,仪表在量程范围内仪用误差小于0·5%。