渦輪流量計(jì)已廣泛應(yīng)用于流量測量領(lǐng)域，可用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量和科學(xué)測量[1]。渦輪流量傳感器屬于速度流量計(jì)。其工作原理是利用流體流動過程中產(chǎn)生的推力使渦輪流量計(jì)的渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。在渦輪機(jī)具有穩(wěn)定的速度之后，流過流體的體積流量與渦輪機(jī)速度成比例，從而計(jì)算測量的流體的體積流量[2]。通常，渦輪流量計(jì)每單位時(shí)間輸出的脈沖數(shù)與實(shí)際流量之比稱為渦輪流量計(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)行校準(zhǔn)，即通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。因此，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精度直接影響最終流量數(shù)據(jù)測量的精度。
但經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，國內(nèi)外研究人員通過介質(zhì)對渦輪流量計(jì)測量儀器的粘度流量系數(shù)有很大影響，當(dāng)測量中，中低粘度，水流量高于0.5 L時(shí)/ s，渦輪流量計(jì)，儀表系數(shù)保持恒定，但當(dāng)測量介質(zhì)粘度較高時(shí)，儀表系數(shù)隨粘度增加而增加，特別是當(dāng)介質(zhì)粘度高于50 CST時(shí)，其線性范圍消失。在實(shí)際的流量測量過程中，當(dāng)測量高粘度油品的介質(zhì)時(shí)，很難確保介質(zhì)速度恒定，一旦發(fā)生流量波動，渦輪流量計(jì)就會產(chǎn)生很大的誤差。因此，在測量高粘度介質(zhì)時(shí)，分析不同流量下渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)具有重要意義。
1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
對于高粘度介質(zhì)中渦輪流量計(jì)在不同流速測量儀器系數(shù)變化規(guī)律下的研究，使用avic 4113計(jì)量站，變粘度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置是4050航空潤滑油的裝置當(dāng)前體介質(zhì)，它具有很好的高度和低溫性能，使用溫度范圍為正常 - 40℃~200℃，短期可達(dá)220℃。管道中的潤滑油流量由變頻泵控制。變頻輸出電壓380~650V，輸出功率0.75~400kW，工作頻率0~400Hz。其主電路采用交直流交流電路。在罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，通過加熱航空潤滑油來改變被測介質(zhì)的粘度。采用可編程邏輯控制器進(jìn)行溫度控制，內(nèi)置PID算法，油箱溫度傳感器，加熱器油箱和控制器在閉環(huán)溫度控制下，確保管道內(nèi)高速循環(huán)油介質(zhì)和溫度誤差為不超過+ / - 1℃。該裝置可測量流量范圍為0.5 m3 / h~70 m3 / h，可變溫度范圍為-30℃~155℃，油溫控制精度為正負(fù)5%，標(biāo)準(zhǔn)刻度測量精度為0.02%，工廠不確定性為0.05%。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖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), 使用電腦采集渦輪流量計(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, 最終再用累積體積流量除以總脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)開始前首先開啟油泵, 使?jié)櫥驮诠艿纼?nèi)勻速循環(huán)流動, 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, 換向閥立即動作, 流過渦輪流量計(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?？勺冋扯纫后w標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖2所示。
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
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)蕞小值與蕞大值的平均值, 作為傳感器的儀表系數(shù)。
依照國標(biāo)渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程, 累積流量的相對示值誤差為:
計(jì)算公式
式中:Eij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí), 傳感器相對示值誤差, %;
Vij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí), 渦輪流量計(jì)累積流量值, m3;
(Vs) ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)累積體積流量值, m3;
第i檢定點(diǎn), 渦輪流量計(jì)流量計(jì)相對示值誤差的絕隊(duì)值為[3]:
計(jì)算公式
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Originpro 2017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, 是的簡單易學(xué)、操作靈活、功能*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, 使用蕞小二乘法, 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:
計(jì)算公式
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。
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6為未采用擬合修正公式流量點(diǎn)對應(yīng)儀表系數(shù)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, 蕞大誤差將達(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。
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