植物油管道流量計高粘度變流速自適應研究
點(diǎn)擊次數：1654 發(fā)布時(shí)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(dòng)粘度較高時(shí)，渦輪流量傳感器儀表系數隨著(zhù)流速的增加而變化，波動(dòng)較大，其變化規律呈現非線(xiàn)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條件下其儀表系數隨流速變化的規律，通過(guò)在可變粘度標準裝置進(jìn)行的實(shí)驗，得到實(shí)驗數據，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精度由4.4%提高到0.83%，并對此算法了進(jìn)行實(shí)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(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來(lái)水測量以及科學(xué)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動(dòng)，渦輪穩定轉速后，流體流過(guò)的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此來(lái)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(shí)間內輸出的脈沖個(gè)數與實(shí)際流過(guò)流量的比值稱(chēng)為植物油管道流量計的儀表系數。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置上進(jìn)行標定，即通過(guò)實(shí)驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表系數。由此可見(jiàn)，渦輪流量傳感器的儀表系數精確度直接影響著(zhù)*終流量數據測算的精確度。
但是，經(jīng)過(guò)國內外科研人員的大量實(shí)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(shí)的儀表系數有著(zhù)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(shí)，植物油管道流量計儀表系數基本保持恒定，但當被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數會(huì )一直隨著(zhù)粘度的增加而增加，尤其是當介質(zhì)粘度高于50cSt時(shí)，其線(xiàn)性范圍完全消失。在實(shí)際的流量測量過(guò)程當中，測量高粘度油品介質(zhì)時(shí)，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現流量波動(dòng)，植物油管道流量計就會(huì )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(shí)不同流速下的儀表系數進(jìn)行分析有非常重要的意義。
1實(shí)驗裝置
為研究植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下儀表系數的變化規律，使用中航工業(yè)4113計量站可變粘度標準裝置進(jìn)行實(shí)驗，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，其有著(zhù)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。在油箱儲罐中內置加熱系統，可以對航空潤滑油進(jìn)行加熱，以此來(lái)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)在管道內高速循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)溫度誤差不超過(guò)±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(shí)驗原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱(chēng)重法，即在固定的時(shí)間內，使用電腦采集植物油管道流量計輸出脈沖個(gè)數，同時(shí)將流過(guò)的流體全部引入到標準秤中稱(chēng)重，除以對應密度來(lái)計算流過(guò)的真實(shí)體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個(gè)數計算出植物油管道流量計的儀表系數。
實(shí)驗開(kāi)始前*先開(kāi)啟油泵，使潤滑油在管道內勻速循環(huán)流動(dòng)，根據已知的介質(zhì)粘度與溫度的對應關(guān)系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應的溫度，然后開(kāi)始對介質(zhì)加熱，使裝置內的介質(zhì)達到設定的溫度及其對應的粘度。實(shí)驗開(kāi)始后，實(shí)驗員在上位機電腦上點(diǎn)擊實(shí)驗開(kāi)始，換向閥立即動(dòng)作，流過(guò)植物油管道流量計的流體會(huì )全部引入到標準秤中，與此同時(shí)電腦開(kāi)始計時(shí)并采集渦輪流量傳感器的輸出脈沖數，經(jīng)過(guò)一分鐘后停止，標準秤會(huì )自動(dòng)上傳流體累積質(zhì)量至上位機，上位機通過(guò)該介質(zhì)溫度密度對應表再計算出體積，再通過(guò)體積除以脈沖總個(gè)數得到儀表系數。在實(shí)驗過(guò)程中，系統計算機中的程序會(huì )記錄單次實(shí)驗持續的實(shí)驗時(shí)間、累積總脈沖數、累積質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實(shí)驗方案
實(shí)驗采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實(shí)驗中選擇10℃進(jìn)行實(shí)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(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，實(shí)驗流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實(shí)驗中每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數作為此流量點(diǎn)的儀表系數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點(diǎn)儀表系數*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數。
依照國標植物油管道流量計檢定規程，累積流量的相對示值誤差為：
4實(shí)驗數據和結果
實(shí)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(gè)實(shí)驗流量點(diǎn)的儀表系數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進(jìn)行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專(zhuān)業(yè)函數繪圖軟件，是公認的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強大的軟件，既可以滿(mǎn)足一般用戶(hù)的制圖需要，也可以滿(mǎn)足高級用戶(hù)數據分析、函數擬合的需要。
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，其中流速為自變量X，儀表系數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數的擬合曲線(xiàn)圖。
表2為各對應流量點(diǎn)的擬合后儀表系數的誤差。
如果直接采用各個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數取平均值得儀表系數為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點(diǎn)對應儀表系數誤差。
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(gè)流量點(diǎn)：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進(jìn)行精度驗證，得到表4數據，表5為各對應流量點(diǎn)的擬合后儀表系數的誤差。
實(shí)驗結果表明，經(jīng)過(guò)這種高粘度變流速自適應算法修正后，儀表系數精度提高到0.83%。如果只是簡(jiǎn)單將儀表系數取平均，*大誤差將達到4.4%。而且從修正后儀表系數誤差值與未經(jīng)過(guò)修正儀表系數誤差值相比，基本各個(gè)流量點(diǎn)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(shí)的儀表系數變化規律進(jìn)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流速范圍內進(jìn)行實(shí)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將儀表系數精度由4.4%提高到0.83%，并對此進(jìn)行了驗證，結果證明此算法確實(shí)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(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用，可以用于工業(yè)油品測量，民用自來(lái)水測量以及科學(xué)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動(dòng)，渦輪穩定轉速后，流體流過(guò)的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此來(lái)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(shí)間內輸出的脈沖個(gè)數與實(shí)際流過(guò)流量的比值稱(chēng)為植物油管道流量計的儀表系數。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置上進(jìn)行標定，即通過(guò)實(shí)驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表系數。由此可見(jiàn)，渦輪流量傳感器的儀表系數精確度直接影響著(zhù)*終流量數據測算的精確度。
但是，經(jīng)過(guò)國內外科研人員的大量實(shí)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(shí)的儀表系數有著(zhù)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(shí)，植物油管道流量計儀表系數基本保持恒定，但當被測介質(zhì)粘度升高，儀表系數會(huì )一直隨著(zhù)粘度的增加而增加，尤其是當介質(zhì)粘度高于50cSt時(shí)，其線(xiàn)性范圍完全消失。在實(shí)際的流量測量過(guò)程當中，測量高粘度油品介質(zhì)時(shí)，很難保證介質(zhì)流速恒定，一旦出現流量波動(dòng)，植物油管道流量計就會(huì )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(shí)不同流速下的儀表系數進(jìn)行分析有非常重要的意義。
1實(shí)驗裝置
為研究植物油管道流量計在高粘度介質(zhì)測量時(shí)不同流速下儀表系數的變化規律，使用中航工業(yè)4113計量站可變粘度標準裝置進(jìn)行實(shí)驗，該裝置被測流體介質(zhì)為4050航空潤滑油，其有著(zhù)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。在油箱儲罐中內置加熱系統，可以對航空潤滑油進(jìn)行加熱，以此來(lái)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)在管道內高速循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)溫度誤差不超過(guò)±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(shí)驗原理
該裝置的測量原理是靜態(tài)稱(chēng)重法，即在固定的時(shí)間內，使用電腦采集植物油管道流量計輸出脈沖個(gè)數，同時(shí)將流過(guò)的流體全部引入到標準秤中稱(chēng)重，除以對應密度來(lái)計算流過(guò)的真實(shí)體積流量，*終再用累積體積流量除以總脈沖個(gè)數計算出植物油管道流量計的儀表系數。
實(shí)驗開(kāi)始前*先開(kāi)啟油泵，使潤滑油在管道內勻速循環(huán)流動(dòng)，根據已知的介質(zhì)粘度與溫度的對應關(guān)系表，選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應的溫度，然后開(kāi)始對介質(zhì)加熱，使裝置內的介質(zhì)達到設定的溫度及其對應的粘度。實(shí)驗開(kāi)始后，實(shí)驗員在上位機電腦上點(diǎn)擊實(shí)驗開(kāi)始，換向閥立即動(dòng)作，流過(guò)植物油管道流量計的流體會(huì )全部引入到標準秤中，與此同時(shí)電腦開(kāi)始計時(shí)并采集渦輪流量傳感器的輸出脈沖數，經(jīng)過(guò)一分鐘后停止，標準秤會(huì )自動(dòng)上傳流體累積質(zhì)量至上位機，上位機通過(guò)該介質(zhì)溫度密度對應表再計算出體積，再通過(guò)體積除以脈沖總個(gè)數得到儀表系數。在實(shí)驗過(guò)程中，系統計算機中的程序會(huì )記錄單次實(shí)驗持續的實(shí)驗時(shí)間、累積總脈沖數、累積質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
3實(shí)驗方案
實(shí)驗采用口徑為DN10的渦輪流量傳感器，如圖3所示。實(shí)驗中選擇10℃進(jìn)行實(shí)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(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行，實(shí)驗流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。
實(shí)驗中每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平均儀表系數作為此流量點(diǎn)的儀表系數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點(diǎn)儀表系數*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數。
依照國標植物油管道流量計檢定規程，累積流量的相對示值誤差為：
4實(shí)驗數據和結果
實(shí)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(gè)實(shí)驗流量點(diǎn)的儀表系數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進(jìn)行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專(zhuān)業(yè)函數繪圖軟件，是公認的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強大的軟件，既可以滿(mǎn)足一般用戶(hù)的制圖需要，也可以滿(mǎn)足高級用戶(hù)數據分析、函數擬合的需要。
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，其中流速為自變量X，儀表系數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表系數的擬合曲線(xiàn)圖。
表2為各對應流量點(diǎn)的擬合后儀表系數的誤差。
如果直接采用各個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數取平均值得儀表系數為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點(diǎn)對應儀表系數誤差。
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(gè)流量點(diǎn)：0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h對該公式以及算法進(jìn)行精度驗證，得到表4數據，表5為各對應流量點(diǎn)的擬合后儀表系數的誤差。
實(shí)驗結果表明，經(jīng)過(guò)這種高粘度變流速自適應算法修正后，儀表系數精度提高到0.83%。如果只是簡(jiǎn)單將儀表系數取平均，*大誤差將達到4.4%。而且從修正后儀表系數誤差值與未經(jīng)過(guò)修正儀表系數誤差值相比，基本各個(gè)流量點(diǎn)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(shí)的儀表系數變化規律進(jìn)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流速范圍內進(jìn)行實(shí)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將儀表系數精度由4.4%提高到0.83%，并對此進(jìn)行了驗證，結果證明此算法確實(shí)能夠大幅提高植物油管道流量計的測量精度。