植物油管道流量計高粘度變流速自適應研究
點擊次數(shù)：2545 發(fā)布時間：2021-01-19 14:57:12
摘要：植物油管道流量計應用十分廣泛，但是當被測介質(zhì)運動粘度較高時，渦輪流量傳感器儀表系數(shù)隨著流速的增加而變化，波動較大，其變化規(guī)律呈現(xiàn)非線性。本文研究了口徑為DN10的植物油管道流量計在流體介質(zhì)粘度為43.49cSt條件下其儀表系數(shù)隨流速變化的規(guī)律，通過在可變粘度標準裝置進行的實驗，得到實驗數(shù)據(jù)，擬合出了高粘度植物油管道流量計流速修正算法，運用該算法，可以將植物油管道流量計的儀表系數(shù)精度由4.4%提高到0.83%，并對此算法了進行實驗驗證，證明了該算法的有效性。
植物油管道流量計在流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量以及科學計量。渦輪流量傳感器屬于速度式流量計，它的工作原理是利用流體流動時產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩(wěn)定轉速后，流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此來計算被測流體的體積流量。一般的，我們把植物油管道流量計單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)與實際流過流量的比值稱為植物油管道流量計的儀表系數(shù)。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置上進行標定，即通過實驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。由此可見，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精確度直接影響著*終流量數(shù)據(jù)測算的精確度。
但是，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的大量實驗證明，被測流體介質(zhì)的粘度對植物油管道流量計測量時的儀表系數(shù)有著很大的影響，當被測介質(zhì)為水或者低粘度介質(zhì)且流量高于0.5L/s時，植物油管道流量計儀表系數(shù)基本保持恒定，但當被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數(shù)會一直隨著粘度的增加而增加，尤其是當介質(zhì)粘度高于50cSt時，其線性范圍完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘度油品介質(zhì)時，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現(xiàn)流量波動，植物油管道流量計就會產(chǎn)生較大誤差。所以，對植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時不同流速下的儀表系數(shù)進行分析有非常重要的意義。
1實驗裝置
為研究植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時不同流速下儀表系數(shù)的變化規(guī)律，使用中航工業(yè)4113計量站可變粘度標準裝置進行實驗，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，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220℃。管道內(nèi)潤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。在油箱儲罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，可以對航空潤滑油進行加熱，以此來改變被測介質(zhì)的粘度。對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)流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度范圍是-30℃~155℃，油溫控制的精度為±5%，標準秤的測量精度為0.02%，裝置不確定度為0.05%。裝置結構原理圖如圖1所示。
2實驗原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱重法，即在固定的時間內(nèi)，使用電腦采集植物油管道流量計輸出脈沖個數(shù)，同時將流過的流體全部引入到標準秤中稱重，除以對應密度來計算流過的真實體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個數(shù)計算出植物油管道流量計的儀表系數(shù)。
實驗開始前*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)粘度與溫度的對應關系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應的溫度，然后開始對介質(zhì)加熱，使裝置內(nèi)的介質(zhì)達到設定的溫度及其對應的粘度。實驗開始后，實驗員在上位機電腦上點擊實驗開始，換向閥立即動作，流過植物油管道流量計的流體會全部引入到標準秤中，與此同時電腦開始計時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，標準秤會自動上傳流體累積質(zhì)量至上位機，上位機通過該介質(zhì)溫度密度對應表再計算出體積，再通過體積除以脈沖總個數(shù)得到儀表系數(shù)。在實驗過程中，系統(tǒng)計算機中的程序會記錄單次實驗持續(xù)的實驗時間、累積總脈沖數(shù)、累積質(zhì)量流量、瞬時流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實驗方案
實驗采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實驗中選擇10℃進行實驗測試，對應的流體介質(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個流量點進行，實驗流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實驗中每個流量點均進行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數(shù)作為此流量點的儀表系數(shù)Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀表系數(shù)*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數(shù)。
依照國標植物油管道流量計檢定規(guī)程，累積流量的相對示值誤差為：
4實驗數(shù)據(jù)和結果
實驗測得在流體介質(zhì)的粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個實驗流量點的儀表系數(shù)Ki如表1所示。
使用函數(shù)擬合軟件Originpro2017對所得數(shù)據(jù)進行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件，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：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。
表2為各對應流量點的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
如果直接采用各個流量點的儀表系數(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對應儀表系數(shù)誤差。
為證明該高粘度變流速自適應算法及公式的有效性，重新選取四個流量點：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進行精度驗證，得到表4數(shù)據(jù)，表5為各對應流量點的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
實驗結果表明，經(jīng)過這種高粘度變流速自適應算法修正后，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，*大誤差將達到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，基本各個流量點精度都有較大的提升。
5結論
本文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質(zhì)時的儀表系數(shù)變化規(guī)律進行了研究，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)進行實驗，并提出一種高粘度變流速自適應算法，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%，并對此進行了驗證，結果證明此算法確實能夠大幅提高植物油管道流量計的測量精度。
植物油管道流量計在流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量以及科學計量。渦輪流量傳感器屬于速度式流量計，它的工作原理是利用流體流動時產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩(wěn)定轉速后，流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此來計算被測流體的體積流量。一般的，我們把植物油管道流量計單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)與實際流過流量的比值稱為植物油管道流量計的儀表系數(shù)。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置上進行標定，即通過實驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。由此可見，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精確度直接影響著*終流量數(shù)據(jù)測算的精確度。
但是，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的大量實驗證明，被測流體介質(zhì)的粘度對植物油管道流量計測量時的儀表系數(shù)有著很大的影響，當被測介質(zhì)為水或者低粘度介質(zhì)且流量高于0.5L/s時，植物油管道流量計儀表系數(shù)基本保持恒定，但當被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數(shù)會一直隨著粘度的增加而增加，尤其是當介質(zhì)粘度高于50cSt時，其線性范圍完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘度油品介質(zhì)時，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現(xiàn)流量波動，植物油管道流量計就會產(chǎn)生較大誤差。所以，對植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時不同流速下的儀表系數(shù)進行分析有非常重要的意義。
1實驗裝置
為研究植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時不同流速下儀表系數(shù)的變化規(guī)律，使用中航工業(yè)4113計量站可變粘度標準裝置進行實驗，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，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220℃。管道內(nèi)潤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。在油箱儲罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，可以對航空潤滑油進行加熱，以此來改變被測介質(zhì)的粘度。對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)流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度范圍是-30℃~155℃，油溫控制的精度為±5%，標準秤的測量精度為0.02%，裝置不確定度為0.05%。裝置結構原理圖如圖1所示。
2實驗原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱重法，即在固定的時間內(nèi)，使用電腦采集植物油管道流量計輸出脈沖個數(shù)，同時將流過的流體全部引入到標準秤中稱重，除以對應密度來計算流過的真實體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個數(shù)計算出植物油管道流量計的儀表系數(shù)。
實驗開始前*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)粘度與溫度的對應關系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應的溫度，然后開始對介質(zhì)加熱，使裝置內(nèi)的介質(zhì)達到設定的溫度及其對應的粘度。實驗開始后，實驗員在上位機電腦上點擊實驗開始，換向閥立即動作，流過植物油管道流量計的流體會全部引入到標準秤中，與此同時電腦開始計時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，標準秤會自動上傳流體累積質(zhì)量至上位機，上位機通過該介質(zhì)溫度密度對應表再計算出體積，再通過體積除以脈沖總個數(shù)得到儀表系數(shù)。在實驗過程中，系統(tǒng)計算機中的程序會記錄單次實驗持續(xù)的實驗時間、累積總脈沖數(shù)、累積質(zhì)量流量、瞬時流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實驗方案
實驗采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實驗中選擇10℃進行實驗測試，對應的流體介質(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個流量點進行，實驗流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實驗中每個流量點均進行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數(shù)作為此流量點的儀表系數(shù)Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀表系數(shù)*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數(shù)。
依照國標植物油管道流量計檢定規(guī)程，累積流量的相對示值誤差為：
4實驗數(shù)據(jù)和結果
實驗測得在流體介質(zhì)的粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個實驗流量點的儀表系數(shù)Ki如表1所示。
使用函數(shù)擬合軟件Originpro2017對所得數(shù)據(jù)進行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件，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：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。
表2為各對應流量點的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
如果直接采用各個流量點的儀表系數(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對應儀表系數(shù)誤差。
為證明該高粘度變流速自適應算法及公式的有效性，重新選取四個流量點：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進行精度驗證，得到表4數(shù)據(jù)，表5為各對應流量點的擬合后儀表系數(shù)的誤差。
實驗結果表明，經(jīng)過這種高粘度變流速自適應算法修正后，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，*大誤差將達到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，基本各個流量點精度都有較大的提升。
5結論
本文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質(zhì)時的儀表系數(shù)變化規(guī)律進行了研究，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)進行實驗，并提出一種高粘度變流速自適應算法，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%，并對此進行了驗證，結果證明此算法確實能夠大幅提高植物油管道流量計的測量精度。