金屬管浮子流量計(jì) 選用計(jì)算機(jī)檢定系統(tǒng)提高精度
摘要：基于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng), 研究開發(fā)金屬管浮子流量計(jì)的性能測(cè)試與檢定實(shí)驗(yàn)。硬件采用數(shù)字量采集卡7505、脈沖量采集卡7606, 對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上各種信號(hào)進(jìn)行控制, 并實(shí)時(shí)采集測(cè)試、檢定數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件編程, 對(duì)測(cè)試、檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合。實(shí)驗(yàn)表明, 實(shí)驗(yàn)者運(yùn)用所學(xué)流體力學(xué)、檢測(cè)技術(shù)、誤差理論等方面的知識(shí), 對(duì)金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行性能測(cè)試、檢定、誤差計(jì)算;并通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握三次曲線擬合在浮子流量計(jì)非線性特性處理上的應(yīng)用。
流量的測(cè)量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著密切關(guān)系, 對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著非常重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 對(duì)完成流量測(cè)量的流量計(jì)提出了更高的要求。因此, 本實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬管浮子流量計(jì)的性能測(cè)試和檢定, 達(dá)到了金屬管浮子流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確定位的目的。
1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成：
水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[2]由計(jì)算機(jī)、高位水塔、流量實(shí)驗(yàn)裝置、被檢表 (金屬管浮子流量計(jì)) 等組成。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Computer control system for water flow standard device
通觀整個(gè)控制系統(tǒng), 得知:
計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)字量采集卡7505完成電磁閥的開/關(guān)信號(hào)、換向器的開/關(guān)信號(hào)及底閥的開/關(guān)信號(hào)控制, 標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖信號(hào)通過(guò)7606采集卡采入計(jì)算, 電子秤讀數(shù)信號(hào)通過(guò)RS232串行通訊接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。[3]通過(guò)軟件編程, [4,5]對(duì)檢定測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、線性擬合等。
高位水塔起穩(wěn)定水頭作用, 保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的流量穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)在實(shí)驗(yàn)管路中, 根據(jù)流體流動(dòng)連續(xù)性原理, 在定常流動(dòng)下, 流過(guò)它們的流量是相等的。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼調(diào)校電子秤可使其精度比標(biāo)準(zhǔn)表精度高出3倍, 因此用稱重法檢定標(biāo)準(zhǔn)表, 然后再用標(biāo)準(zhǔn)表檢定被校表。用稱重法檢定儀表朔源性好, 但工作效率低, 故一般實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行, 并定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢定。[6]
2、水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：
實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:
圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法—稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.2 Liquid flow standard device using standard meter method-weighing method
1—過(guò)濾罐;2—標(biāo)準(zhǔn)表組;3—球閥組;4—平衡罐;5—進(jìn)水總閥;6—排污閥;7—被檢表;8—水平卡表;9—電子秤;10—放水閥;11—稱量罐;12—換向器材;13—噴嘴;14—豎直卡表器;15—浮子流量計(jì);16—上下支撐板;17—調(diào)節(jié)閥組
工作過(guò)程:用水泵將水池中的水打入水塔, 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使水塔處于溢流狀態(tài), 以保證系統(tǒng)的壓頭不變。待水流穩(wěn)定后, 打開截止閥, 水通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表、上游直管段、被檢流量計(jì)、下游直管段、夾表器、調(diào)節(jié)閥、換向器, 流出實(shí)驗(yàn)管路。
3、金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)研究：
浮子流量傳感器又稱轉(zhuǎn)子流量傳感器。[7]本實(shí)驗(yàn)室用到的被檢定浮子流量計(jì)是金屬管浮子流量計(jì), 而金屬管浮子流量計(jì)的檢定實(shí)驗(yàn)是流量檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn), 也是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
金屬管浮子流量計(jì)引入計(jì)算機(jī)技術(shù)取代凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)算, 將流量信號(hào)通過(guò)傳感器、轉(zhuǎn)換器由數(shù)字液晶顯示出來(lái), 并通過(guò)鍵盤置入密度、溫度、壓力等工況參數(shù), 具有智能化、高精度、使用方便、工作可靠等特點(diǎn)。
流量傳感器是將非電量的流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量信號(hào)的感應(yīng)裝置, 金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)輸出的則是電壓信號(hào)。[8]由于其流量-電壓特性有較強(qiáng)的非線性, 常用***小二乘法對(duì)其進(jìn)行三次曲線擬合。
3.1、實(shí)驗(yàn)原理：
金屬管浮子流量計(jì)管體由錐管和浮子組成, 當(dāng)流體自下而上流入錐管時(shí), 被浮子節(jié)流, 當(dāng)流體作用在浮子的動(dòng)壓力、浮子在流體中的浮力、浮子的重力達(dá)到平衡時(shí), 浮子就平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)某一位置上。浮子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管流量的大小一一對(duì)應(yīng)。其浮子位置高度是由角位移傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。因此, 某一個(gè)流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓值, 實(shí)驗(yàn)要求在各流量點(diǎn)下正反行程各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn), 將其平均值作為輸出電壓V0。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出Q~V0的關(guān)系式, 再次進(jìn)行流量檢定實(shí)驗(yàn), 以驗(yàn)證擬合公式的擬合精度。
3.2、金屬管浮子流量計(jì)性能測(cè)試：
在浮子流量計(jì)的流量范圍內(nèi)選擇6~7個(gè)流量點(diǎn) (***好是均勻分布的, 且由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)讀取) , 調(diào)節(jié)閥門達(dá)到所要求的流量值點(diǎn)Q (瞬時(shí)流量m3/h) , 測(cè)出與流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)的浮子輸出電壓V (從浮子的液晶顯示上讀得) 。
從小流量向大流量測(cè)量稱正行程, 反之稱反行程。正反行程各3次, 當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)全部測(cè)量完成時(shí), 計(jì)算機(jī)自動(dòng)將各流量點(diǎn)的電壓平均值V0計(jì)算出來(lái)。
3.3、擬合曲線Q~V0：
根據(jù)圖3檢定測(cè)試的數(shù)據(jù), 在圖3窗口按
計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成用***小二乘法擬合3次曲線[9] (實(shí)質(zhì)為:若擬合n次曲線, 則n+1個(gè)待定系數(shù), 需解n+1元一次線性方程組, 此程序用高斯消去法求解) , 求得浮子電壓—流量特性曲線如圖4, 并得出擬合公式。
計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成用***小二乘法擬合3次曲線[9] (實(shí)質(zhì)為:若擬合n次曲線, 則n+1個(gè)待定系數(shù), 需解n+1元一次線性方程組, 此程序用高斯消去法求解) , 求得浮子電壓—流量特性曲線如圖4, 并得出擬合公式。
圖3 檢定測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 Calibration testing data
圖4 Q~V0曲線擬合Fig.4 Q~V0curve fitting
擬合公式:
3.4、金屬管浮子流量計(jì)的檢定：
再次選定5~6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試, 將這些點(diǎn)的浮子流量計(jì)的輸出電壓代入擬合公式, 計(jì)算出通過(guò)浮子的流量。金屬管浮子流量計(jì)的檢定計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在圖5中, 渦輪流量是指標(biāo)準(zhǔn)表流量, 擬合曲線流量指將浮子電壓帶入3次擬合曲線公式后計(jì)算得到的浮子流量計(jì)的流量。
將浮子流量計(jì)的流量Q與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的流量Q0帶入計(jì)算滿度誤差[10]公式 (2) , 進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)的滿度誤差E, 并找出***大滿度誤差Emax。
圖5 金屬管浮子流量計(jì)的檢定結(jié)果Fig.5 Calibration result of the meal tube rotameter
計(jì)算滿度誤差:
4、結(jié)語(yǔ)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 高等教育的深化改革, 教學(xué)質(zhì)量的不斷提高, 原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就顯得落后了。在原有的高位水塔的基礎(chǔ)上, 對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改造和擴(kuò)建。除了保留稱重顯示儀以獲取電子秤的讀數(shù), 其余工作如定時(shí)、控制換向器動(dòng)作、控制底閥開關(guān)、脈沖計(jì)數(shù)等都由計(jì)算機(jī)完成。實(shí)驗(yàn)中做到實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù), 并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、處理。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代了原來(lái)繁多的儀器儀表, 這使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單, 自動(dòng)化程度更高, 實(shí)驗(yàn)手段更加先進(jìn), 激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程, 不僅對(duì)這門課加深了理解, 而且對(duì)本專業(yè)其他課加以應(yīng)用;拓寬了知識(shí)面, 感受到了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在流量測(cè)量領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí), 基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建成, 為自動(dòng)化專業(yè)以及從事流量測(cè)量方面的研究人員提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。