智能金属管浮子流量计地研究.pdfVIP

智能金一管浮子流量计的研究 张涛徐英 (天津大学自动化学院天津300072) 摘要：本文在简要介绍金属管浮子流量计工作原理的基础上，详细论述了智能信息处理的研究内容， 利用微处理器代替机械结构进行流量计算，提高了计量精度。本文特别论述了该流量计根据不同介质密 度、温度、压力等工况参数进行流量计算的处理方法，给出3台样机的实验数据，证实其计量准确度优 于1％。 关键词：智能浮子流量计电容传感器 1引言 流量的精确测量对于国民经济的可持续发展起着十分重要的作用。在中低流速流量测量中浮子流量 计起着非常重要的作用。 目前国内金属管浮子流量计的引进产品和国产产品中大多采用凸轮机械结构进行流量计算，由此而 引出以下两方面不足，首先，凸轮机械结构不能进行流量的精确计算；其次，必须根据被测介质的密度、 温度、工作压力等工况条件及流量范围进行逐台设计制造，给生产厂商和使用部门带来不便。 本文研制的金属管浮予流量计引入计算机技术，实现信号的智能化处理，将被测介质及工况参数等 置入计算机中，自动完成刻度换算，提高了测量精度，从而较好地解决了上述两方面问题。 2计量原理与整机设计 2．1工作原理 如图1所示，浮子放于垂直的锥形管道中，随着流体速度的变化而上下移动。浮子受重力、浮力、 迎流压差阻力及粘性应力的作用，当浮子在垂直方向上合力为零时达到平衡状态，浮子处于某一稳定的 位置。当来流速度变化时，浮子向下与向上的作用力达到一个新的平衡状态，浮子又处于一个新的稳定 位置。流量计量公式为： Q，=cor[D。htg≯+(姗口)2】，f兰粤(p，一p)／p(1) 1Ⅵ L 季赫1 ㈣ I、pⅪ． 图1浮子流量计原理(1椎管、2浮予、3内磁钢) 其中，配厂…体积流量(m3／s)；a…一流量系数；岛一一标尺零点处锥形管直径；h一一浮子高度 位置；≯…一锥形管锥半角； 垆一浮子体积；pr--～浮子材料密度：P…一流体密度；A，…一浮子 垂直于流向的最大截面积。 分析(1)式可知，对某一特定结构的浮子流量计，即锥管的锥度与浮子形状一定，流量Q。与浮子 高度h之间为非线性关系。早期设计的浮子流量计采用减小锥度的方法来降低二次项的影响，要达到一 定的流量测量量程必需延长锥管的长度，从而导致加工困难及安装不便，目前通行的金属管浮予流量计 机械结构进行流量运算显然不可能具有高精度的计算结果。本文研制的流量计引入计算机技术进行流量 计算，使得计算精度得到极大提高，同时提供非常良好的人机界面。 2．2整机结构设计 智能金属管浮子流量计测量原理图如图2所示，由传感器、转换器、智能信号处理器三部分组成。 由于浮子内嵌磁钢，当浮子上下移动时，内磁钢同时上下移动，与锥管外一端嵌有小磁钢的机械连杆机 构形成内外磁钢磁路耦合，内磁钢的运动将引起外磁钢的位移，从而引起连杆转动一定角度o，即将浮 子直线位移转换成角度的位移，本文利用电容角位移传感器”’”将角度的变化转换为电容量值C的变化， 再经信号处理电路将电容值的变化转化为电压信号V。最终使得检测电路的输出信号幅值反映流体瞬时 流量的大小，有 V。，=．‘(C)=，2(0)=厶(h)=f4(a)(2) 因上式，，：‘均为单调函数，故可得到V。与Q的函数关系 Q=Qrvo。J (3) 转换器为一端嵌有磁钢的机械连杆机构和电容角位移式传感器及平衡块组成；智能信号处理器由单片机 及外围电路组成。 图2结构原理图 (1外磁钢2机械连杆3电容角位移传感器4平衡块) 3智能化设计 3．1流量计算与修正 前已提及，公式(1)中流量Q与浮子高度位置h之间存在非线性关系；另外，如被测介质密、温度、 压力与标定介质不同，浮子处于同一高度时，所反映出的流量值并不相同，为提高计算精度及自动完成 刻度