金屬管浮子流量計的性能測試與檢定實驗

基于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機控制系統(tǒng), 研究開發(fā)金屬管浮子流量計的性能測試與檢定實驗。硬件采用數(shù)字量采集卡7505、脈沖量采集卡7606, 對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上各種信號進(jìn)行控制, 并實時采集測試、檢定數(shù)據(jù)。通過軟件編程, 對測試、檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合。實驗表明, 實驗者運用所學(xué)流體力學(xué)、檢測技術(shù)、誤差理論等方面的知識, 對金屬管浮子流量計進(jìn)行性能測試、檢定、誤差計算;并通過實驗掌握三次曲線擬合在浮子流量計非線性特性處理上的應(yīng)用。

流量的精確測量與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著密切關(guān)系, 對保證產(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)濟的快速發(fā)展, 對完成流量測量的流量計提出了更高的要求。因此, 本實驗室研究開發(fā)了基于計算機的金屬管浮子流量計檢定實驗系統(tǒng), 實現(xiàn)了對金屬管浮子流量計的性能測試和檢定, 達(dá)到了金屬管浮子流量計在實際應(yīng)用中的準(zhǔn)確定位的目的。

1、計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成：

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機控制系統(tǒng)[2]由計算機、高位水塔、流量實驗裝置、被檢表 (金屬管浮子流量計) 等組成。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

通觀整個控制系統(tǒng), 得知:

計算機通過數(shù)字量采集卡7505完成電磁閥的開/關(guān)信號、換向器的開/關(guān)信號及底閥的開/關(guān)信號控制, 標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖信號通過7606采集卡采入計算, 電子秤讀數(shù)信號通過RS232串行通訊接口與計算機進(jìn)行通訊。通過軟件編程, 對檢定測試結(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, 保證整個實驗過程的流量穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)在實驗管路中, 根據(jù)流體流動連續(xù)性原理, 在定常流動下, 流過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, 故一般實驗用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行, 并定期對標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢定。

2、水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：

1—過濾罐;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;16—上下支撐板;17—調(diào)節(jié)閥組工作過程:用水泵將水池中的水打入水塔, 在整個實驗過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, 水通過標(biāo)準(zhǔn)表、上游直管段、被檢流量計、下游直管段、夾表器、調(diào)節(jié)閥、換向器, 流出實驗管路。

3、金屬管浮子流量計檢定實驗研究：

浮子流量傳感器又稱轉(zhuǎn)子流量傳感器。[7]本實驗室用到的被檢定浮子流量計是金屬管浮子流量計, 而金屬管浮子流量計的檢定實驗是流量檢測技術(shù)實驗的重點, 也是本控制系統(tǒng)設(shè)計的重點。

金屬管浮子流量計引入計算機技術(shù)取代凸輪機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計算, 將流量信號通過傳感器、轉(zhuǎn)換器由數(shù)字液晶顯示出來, 并通過鍵盤置入密度、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。

流量傳感器是將非電量的流量信號轉(zhuǎn)化為電量信號的感應(yīng)裝置, 金屬管轉(zhuǎn)子流量計輸出的則是電壓信號。由于其流量-電壓特性有較強的非線性, 常用非常小二乘法對其進(jìn)行三次曲線擬合。

3.1、實驗原理：

金屬管浮子流量計管體由錐管和浮子組成, 當(dāng)流體自下而上流入錐管時, 被浮子節(jié)流, 當(dāng)流體作用在浮子的動壓力、浮子在流體中的浮力、浮子的重力達(dá)到平衡時, 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應(yīng)。其浮子位置高度是由角位移傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成電壓信號。因此, 某一個流量點Q對應(yīng)一個電壓值, 實驗要求在各流量點下正反行程各進(jìn)行3次實驗, 將其平均值作為輸出電壓V0。用實驗數(shù)據(jù)擬合出Q~V0的關(guān)系式, 再次進(jìn)行流量檢定實驗, 以驗證擬合公式的擬合精度。

3.2、金屬管浮子流量計性能測試：

在浮子流量計的流量范圍內(nèi)選擇6~7個流量點 (非常好是均勻分布的, 且由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計讀取) , 調(diào)節(jié)閥門達(dá)到所要求的流量值點Q (瞬時流量m3/h) , 測出與流量點Q對應(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量稱正行程, 反之稱反行程。正反行程各3次, 當(dāng)測量數(shù)據(jù)全部測量完成時, 計算機自動將各流量點的電壓平均值V0計算出來。

3.3、擬合曲線Q~V0：

根據(jù)圖3檢定測試的數(shù)據(jù), 在圖3窗口按按鈕計算機自動完成用非常小二乘法擬合3次曲線[9] (實質(zhì)為:若擬合n次曲線, 則n+1個待定系數(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,并得出擬合公式。

3.4、金屬管浮子流量計的檢定：

再次選定5~6個流量點進(jìn)行測試, 將這些點的浮子流量計的輸出電壓代入擬合公式, 計算出通過浮子的流量。金屬管浮子流量計的檢定計算結(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算得到的浮子流量計的流量。

將浮子流量計的流量Q與標(biāo)準(zhǔn)表測得的流量Q0帶入計算滿度誤差[10]公式 (2) , 進(jìn)而求得對應(yīng)的滿度誤差E, 并找出非常大滿度誤差Emax。

金屬管浮子流量計的檢定結(jié)果

計算滿度誤差:

4、結(jié)語：

隨著計算機技術(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, 原有的實驗設(shè)備就顯得落后了。在原有的高位水塔的基礎(chǔ)上, 對實驗設(shè)備進(jìn)行了改造和擴建。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、控制換向器動作、控制底閥開關(guān)、脈沖計數(shù)等都由計算機完成。實驗中做到實時控制、實時采集數(shù)據(jù), 并及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算、處理。用一臺計算機取代了原來繁多的儀器儀表, 這使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)趨于簡單, 自動化程度更高, 實驗手段更加先進(jìn), 激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過實驗過程, 不僅對這門課加深了理解, 而且對本專業(yè)其他課加以應(yīng)用;拓寬了知識面, 感受到了計算機控制系統(tǒng)在流量測量領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。同時, 基于計算機的金屬管浮子流量計檢定實驗系統(tǒng)的建成, 為自動化專業(yè)以及從事流量測量方面的研究人員提供了一個良好的實驗平臺。