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液體容積式流量計(jì)的漏流引起的誤差計(jì)算

傳感器技術(shù) ? 來(lái)源:未知 ? 作者:胡薇 ? 2018-09-14 15:47 ? 次閱讀

容積式流量計(jì)具有功能穩(wěn)定、精確度高、量程寬、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛地用于工業(yè)的流量計(jì)量,并且作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具。

容積式流量計(jì)的計(jì)量原理是利用機(jī)械測(cè)量的元件把液體連續(xù)地分隔成單位體積然后進(jìn)行累加計(jì)算總量而實(shí)現(xiàn)流體的計(jì)量。

容積式流量計(jì)的工作過(guò)程如下:流體持續(xù)地充滿固定容積的計(jì)量?jī)x器,然后將這部分流體持續(xù)的通道出口。在一次測(cè)量的過(guò)程中,我們通過(guò)記錄這個(gè)過(guò)程持續(xù)的次數(shù),然后再乘以計(jì)量?jī)x器的容積,就得到了流過(guò)的液體的總量。

液體容積式流量計(jì)的漏流

我們首先從容積式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)出發(fā),由于該流量計(jì)的計(jì)量空間是機(jī)械裝置組合而成的,每一個(gè)部件都是運(yùn)動(dòng)的,這就導(dǎo)致部件之間存在間隙。因此,就會(huì)導(dǎo)致漏流。

式中:E 一 流量計(jì)的誤差; V——流量計(jì)的計(jì)量空間體積 ;

α一 流量計(jì)的齒輪比常數(shù) ;

Δg一漏流量;q——檢測(cè)時(shí)的流量 。

從公式可見(jiàn),由于計(jì)量空間體積和齒輪比常數(shù)均為定值,所流量計(jì)的誤差和流量之間的關(guān)系是受單位時(shí)間內(nèi)漏流量的影響的。因此了解漏流量變化的原因?qū)?提高液體容積式流量計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)確度的是很有必要的 。

引起漏流量改變的因素

1、機(jī)械磨損引起的漏流

新的流量計(jì)在使用一段時(shí)間后,經(jīng)過(guò)磨合,齒輪間隙適合,漏流量一般是很小的。但是流量計(jì)在使用一定的年限以后,齒輪由于磨損,導(dǎo)致齒輪間間隙增大,漏流量也就隨之變大。因此,對(duì)于頻繁使用的容積式流量計(jì)要經(jīng)常進(jìn)行檢查,檢查后對(duì)磨損比較嚴(yán)重的齒輪要進(jìn)行更換,這樣才能保證流量計(jì)正常工作。

2、溫度對(duì)漏流量的影響

我們都知道,溫度可以使物體熱脹冷縮,同理,對(duì)于流量計(jì),當(dāng)溫度上升的時(shí)候,流量計(jì)的齒輪間隙會(huì)變得更大,流量計(jì)的漏流量就會(huì)上升。另外,在考慮漏流量的時(shí)候,我們還應(yīng)考慮到溫度上升引起的計(jì)量空間的增大,以及流體介質(zhì)受溫度影響體積膨脹等因素。

3、壓差對(duì)漏流量的影響

當(dāng)流量計(jì)進(jìn)出口之間的壓差比較小的時(shí)候,齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度較低,這個(gè)時(shí)候的漏流量就比較大。當(dāng)進(jìn)出口的壓力較大的時(shí)候,齒輪回轉(zhuǎn)的力矩較大,轉(zhuǎn)速很高,漏流量也會(huì)變大,這個(gè)時(shí)候的誤差也較大。因此,正常工作的時(shí)候,應(yīng)該講出入口的壓力控制在合適的波動(dòng)范圍里,容積式流量計(jì)的漏流量才能保持在最小。

4、流體的粘度對(duì)漏流量的影響

流體的粘度發(fā)生改變的時(shí)候,漏流量也會(huì)發(fā)生顯著的改變,粘度變大的時(shí)候,漏流量減小,粘度減小的時(shí)候,漏流量則會(huì)相應(yīng)的變大。因此,JJG667也規(guī)定了檢測(cè)用的流體和實(shí)際使用的流體的粘度應(yīng)該一致。如果使用其他的流體進(jìn)行檢測(cè),則應(yīng)該注意我們使用的流體的誤差不能超過(guò)該流量計(jì)誤差限的0.3.

現(xiàn)在使用的液體流量檢測(cè)裝置一般都是使用水來(lái)檢測(cè),但是液體容積式流量計(jì)一般都是用在石油行業(yè)中,油和水的密度相差甚大,這就導(dǎo)致由于水的粘度較低使得漏流量會(huì)變大,流量計(jì)計(jì)量的誤差負(fù)偏。這個(gè)時(shí)候我們就必須對(duì)粘度進(jìn)行修正后在使用。我們可以使用下面的公式進(jìn)行修正。

E=E2+(E1-E2)×μ1×(μ-μ2)/[μ×(μ1- μ2)]

式中:E為流量計(jì)實(shí)際使用的時(shí)候的誤差;

E1為流量計(jì)大于實(shí)際粘度檢測(cè)所得的誤差;

E2為流量計(jì)小于實(shí)際粘度檢測(cè)所得的誤差;

μ為實(shí)際使用的流體粘度,mPa?s;

μ1為大于實(shí)際粘度的檢測(cè)流體的粘度,mPa?s;

μ2為小于實(shí)際粘度的檢測(cè)流體的粘度,mPa?s。

上式是在粘度和容積式流量計(jì)漏流量的關(guān)系成反比例的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的,從這個(gè)式子我們發(fā)現(xiàn),在檢測(cè)的過(guò)程中必須用到多種不同粘度的流體,這對(duì)于一般的檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)有些困難。因此,現(xiàn)在解決這個(gè)問(wèn)題的最好的辦法就是現(xiàn)場(chǎng)提取流體進(jìn)行檢測(cè),這樣的話就能夠最大程度的使檢查流體和實(shí)際流體粘度一致,從而使漏流量的結(jié)果更加精確。

漏流量引起的誤差的計(jì)算

上面我們分開(kāi)討論了各種因素對(duì)漏流量的影響,現(xiàn)在我們將這些因素結(jié)合起來(lái)討論。

我們知道,漏流量的形成是由于間隙引起的,間隙中的流動(dòng)我們可以看成是平面間的流動(dòng)。因此我們可以假設(shè),間隙的寬度為a,流動(dòng)方向的長(zhǎng)度是L,部件的厚度是H,前后端得壓力差為 Δp,流體的粘度為u。

于是,我們可以根據(jù)已知條件得出漏流量的方程為 q=C*a*a*a*b* Δp /L/u。從這個(gè)式子我們可以看出,漏流量的大小間隙寬度的立方成正比,和壓力差成反比。

因此,漏流量的大小隨間隙的變大而變大。另外,當(dāng)流量越大的時(shí)候,部件前后損失的壓力就越大,漏流量也就越大。基本誤差公式如下:

式中,qv為經(jīng)過(guò)流量計(jì)的流量;

qs為單位時(shí)間內(nèi)的漏流量;

V為體積為V的流體經(jīng)過(guò)容積式流量計(jì)的時(shí)候,從間隙中漏出的流體的體積;

a為齒輪比;

從上式我們可以看出,齒輪比和計(jì)量室的基本容積是不變的。流量計(jì)的誤差主要受漏流量的影響。

壓力差和粘度是影響單位時(shí)間內(nèi)的漏流量的主要因素。液體容積式流量計(jì)的工作原理是利用運(yùn)動(dòng)部件的重復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)量流體的體積的。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中,產(chǎn)生機(jī)械的摩擦力阻力。當(dāng)流體流過(guò)流量計(jì)的時(shí)候,還會(huì)產(chǎn)生由于粘滯力引起的流動(dòng)阻力,因此,為了保證流量計(jì)的正常的運(yùn)轉(zhuǎn),流量計(jì)的進(jìn)出口必須有一定的壓力差,壓力差使得流體克服摩擦阻力和流動(dòng)阻力。這兒所說(shuō)的壓力差,指的就是壓力損失。

差壓補(bǔ)償法提高容積式流量計(jì)測(cè)量精度

我們根據(jù)流體力學(xué)中泄漏的流量取決于壓差的基本原理,提出了一種差壓補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量方法,即根據(jù)容積式流量計(jì)人口與出口的壓差來(lái)控制流量計(jì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制流量測(cè)量值,使流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速緊隨壓差的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù) 這一思想,不需要提高容積式流量計(jì)的制造精度,也可以達(dá)到很高的測(cè)量精度,從而為探討容積式流量計(jì)的測(cè)量精度提供了思路 。

1、差壓補(bǔ)償測(cè)量法的工作原理

對(duì)于容積式流量計(jì),通過(guò)它的流量一般用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速表示,但是由于泄漏的存在,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)實(shí)際流量。由流體力學(xué)原理知泄漏量 q 與流量計(jì)人 口和出口的壓差Δp的關(guān)系為:

式中 κ, m——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)

A—— 間隙截面面積

只要控制流量計(jì)兩端的壓差Δp,就可控制泄漏量q,進(jìn)而控制檢測(cè)精度,工作原理如圖所示 。

2、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制,通過(guò)傳感器檢測(cè)出壓差Δ p,經(jīng)轉(zhuǎn)換放 大后送人單片機(jī)分析處理,然后驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)帶動(dòng)流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),使其轉(zhuǎn)速達(dá)到與實(shí)際流量相匹配的值。系統(tǒng)主要組成可分為:壓差檢測(cè) 、信號(hào)采集與轉(zhuǎn) 換、信號(hào)分析與處理及控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng),如圖所示 。

(1)壓差檢測(cè)

壓差檢測(cè)模塊包括壓差傳感器和抗干擾轉(zhuǎn)換電路,功能是將流量計(jì)入口與出口的壓差ΔΡ轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。首先采用電容式壓差傳感器將壓差ΔΡ轉(zhuǎn)換為 電容信號(hào),電容式壓差傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量 、精度高和互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其工作原理是將壓差的變化轉(zhuǎn)換為電容極板相對(duì)位置的變化,從而改變電容量或容抗量;抗干擾轉(zhuǎn)換電路將電容量或容抗量的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào),濾除干擾,從而達(dá)到非電量電測(cè)的目的。

液體流量變化的復(fù)雜性給壓差檢測(cè)提出了較高的要求,其輸出模擬電壓信號(hào)能 否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的反映壓差的變化是檢測(cè)的關(guān)鍵 。在精確測(cè)量中,壓差ΔΡ是時(shí)變的微小信號(hào),易被各種干擾淹沒(méi),必須提高信噪比,故電容轉(zhuǎn)換成電壓的電路需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。平衡電路能夠很好地抑制共模,經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合到電路的噪聲干擾可加濾波器消除。壓差檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)將影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度 。

(2)信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換

采用電壓放大電路和 A/D轉(zhuǎn)換電路,將模擬電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成可被單片機(jī) 接收的數(shù)字信號(hào)

(3)信號(hào)的分析與處理

由單片機(jī)來(lái)分析信號(hào),實(shí)施合適的控制策略 。

由于壓差ΔΡ控制系統(tǒng)的非線性 、時(shí)變不確定性和純滯后性,故很難獲得系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型,采用模糊PID控制是較為理想的選擇。模糊PID控制將模糊決策理論和 PID控制結(jié)合起來(lái),發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn),這種 Fuzzy — PID復(fù)合型控制器, 將實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化,然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整,對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)具有良好的控制效果 。其中,模糊控制規(guī)則確 定的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)動(dòng) 、靜態(tài)的性能達(dá)到最佳,是控制性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 。

(4)控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī),調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ,使之與流量的實(shí)際值匹配。采用步進(jìn)電機(jī)作為控制電機(jī),因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可以接受數(shù)字信號(hào),但不能直接接受 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖, 必須使用專用的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器,步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)整體,其運(yùn)行性能取決于兩者的密切配合 。

根據(jù)流量計(jì)結(jié)構(gòu)和測(cè)量誤差,結(jié)合傳感器技術(shù)和控制原理,提出用差壓補(bǔ)償法進(jìn)行容積式流量計(jì)流量的測(cè)量,該方法不需改變?cè)瓉?lái)流量計(jì)的結(jié) 構(gòu),簡(jiǎn)單易行, 通用性強(qiáng),測(cè)量精度高,可廣泛應(yīng)用到各種要求較高的流量測(cè)量中。

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原文標(biāo)題:液體容積式流量計(jì)漏流引起的誤差

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