渦輪流量計(jì)在流量測(cè)量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用, 可以用于工業(yè)油品測(cè)量, 民用自來(lái)水測(cè)量以及科學(xué)計(jì)量[1]。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)生的推力使渦輪流量計(jì)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng), 渦輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后, 流體流過(guò)的體積流量和渦輪的轉(zhuǎn)速成正比, 以此來(lái)計(jì)算被測(cè)流體的體積流量[2]。一般的, 我們把渦輪流量計(jì)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)與實(shí)際流過(guò)流量的比值稱為渦輪流量計(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)行標(biāo)定, 即通過(guò)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(jiàn), 渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)度直接影響著***終流量數(shù)據(jù)測(cè)算的度。

  但是, 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科研人員的大量實(shí)驗(yàn)證明, 被測(cè)流體介質(zhì)的粘度對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量時(shí)的儀表系數(shù)有著很大的影響, 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為水或者低粘度介質(zhì)且流量高于0.5L/s時(shí), 渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)基本保持恒定, 但當(dāng)被測(cè)介質(zhì)粘度升高, 儀表系數(shù)會(huì)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(cè)量過(guò)程當(dāng)中, 測(cè)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), 渦輪流量計(jì)就會(huì)產(chǎn)生較大誤差。所以, 對(duì)渦輪流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測(cè)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。

  為研究渦輪流量計(jì)在高粘度介質(zhì)測(cè)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(cè)流體介質(zhì)為4050航空潤(rùn)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(rùn)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(chǔ)罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng), 可以對(duì)航空潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱, 以此來(lái)改變被測(cè)介質(zhì)的粘度。對(duì)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(guò)±1℃。該裝置可測(cè)流量范圍是0.5 m3/h~70 m3/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(cè)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。

  該裝置的測(cè)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(guò)的流體全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中稱重, 除以對(duì)應(yīng)密度來(lái)計(jì)算流過(guò)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)算出渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。

  實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前首先開(kāi)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(duì)應(yīng)關(guān)系表, 選擇要測(cè)試的介質(zhì)粘度所對(duì)應(yīng)的溫度, 然后開(kāi)始對(duì)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(duì)應(yīng)的粘度。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后, 實(shí)驗(yàn)員在上位機(jī)電腦上點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)開(kāi)始, 換向閥立即動(dòng)作, 流過(guò)渦輪流量計(jì)的流體會(huì)全部引入到標(biāo)準(zhǔn)秤中, 與此同時(shí)電腦開(kāi)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(guò)一分鐘后停止, 標(biāo)準(zhǔn)秤會(huì)自動(dòng)上傳流體累積質(zhì)量至上位機(jī), 上位機(jī)通過(guò)該介質(zhì)溫度密度對(duì)應(yīng)表再計(jì)算出體積, 再通過(guò)體積除以脈沖總個(gè)數(shù)得到儀表系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的程序會(huì)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。可變粘度液體標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖2所示。

  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(cè)試, 對(duì)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(cè)量, (j=1, 2, 3) , 3次測(cè)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(guó)標(biāo)渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程, 累積流量的相對(duì)示值誤差為:

  式中:Eij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí), 傳感器相對(duì)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(duì)示值誤差的值為[3]:

  實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)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(jiǎn)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:

圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。

  表2為各對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)儀表系數(shù)誤差。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(guò)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。

  本文對(duì)高粘度下渦輪流量計(jì)在測(cè)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(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證, 結(jié)果證明此算法確實(shí)能夠大幅提高渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度。