涡轮流量计高粘度变流速自适应算法

摘要：涡轮流量计应用十分广泛, 但是当被测介质运动粘度较高时, 涡轮流量传感器仪表系数随着流速的增加而变化, 波动较大, 其变化规律呈现非线性。本文研究了口径为DN10的涡轮流量计在流体介质粘度为43.49cSt条件下其仪表系数随流速变化的规律, 通过在可变粘度标准装置进行的实验, 得到实验数据, 拟合出了高粘度涡轮流量计流速修正算法, 运用该算法, 可以将涡轮流量计的仪表系数精度由4.4%提高到0.83%, 并对此算法了进行实验验证, 证明了该算法的有效性。

  涡轮流量计在流量测量领域有着非常广泛的应用, 可以用于工业油品测量, 民用自来水测量以及科学计量[1]。涡轮流量传感器属于速度式流量计, 它的工作原理是利用流体流动时产生的推力使涡轮流量计涡轮叶片转动, 涡轮稳定转速后, 流体流过的体积流量和涡轮的转速成正比, 以此来计算被测流体的体积流量[2]。一般的, 我们把涡轮流量计单位时间内输出的脉冲个数与实际流过流量的比值称为涡轮流量计的仪表系数。涡轮流量传感器需要在投入使用前, 在标准计量装置上进行标定, 即通过实验计算出该涡轮流量传感器的仪表系数。由此可见, 涡轮流量传感器的仪表系数度直接影响着***终流量数据测算的度。

  但是, 经过国内外科研人员的大量实验证明, 被测流体介质的粘度对涡轮流量计测量时的仪表系数有着很大的影响, 当被测介质为水或者低粘度介质且流量高于0.5L/s时, 涡轮流量计仪表系数基本保持恒定, 但当被测介质粘度升高, 仪表系数会一直随着粘度的增加而增加, 尤其是当介质粘度高于50cSt时, 其线性范围完全消失。在实际的流量测量过程当中, 测量高粘度油品介质时, 很难保证介质流速恒定, 一旦出现流量波动, 涡轮流量计就会产生较大误差。所以, 对涡轮流量计在高粘度介质测量时不同流速下的仪表系数进行分析有非常重要的意义。

  为研究涡轮流量计在高粘度介质测量时不同流速下仪表系数的变化规律, 使用中航工业4113计量站可变粘度标准装置进行实验, 该装置被测流体介质为4050航空润滑油, 其有着很好的高低温性能, 正常使用温度范围为-40℃~200℃, 短期可达220℃。管道内润滑油的流量大小由变频油泵控制, 变频输出电压为380~650V, 输出功率为0.75~400kW, 工作频率为0~400Hz, 它的主电路采用交-直-交电路。在油箱储罐中内置加热系统, 可以对航空润滑油进行加热, 以此来改变被测介质的粘度。对温度的控制使用可编程逻辑控制器, 内置PID算法, 由油箱中的温度传感器、油箱中的加热器以及控制器构成闭合温度控制回路, 保证油品介质在管道内高速循环流动的同时温度误差不超过±1℃。该装置可测流量范围是0.5 m3/h~70 m3/h, 可变温度范围是-30℃~155℃, 油温控制的精度为±5%, 标准秤的测量精度为0.02%, 装置不确定度为0.05%。装置结构原理图如图1所示。

图1 系统整体结构图

  该装置的测量原理是静态称重法, 即在固定的时间内, 使用电脑采集涡轮流量计输出脉冲个数, 同时将流过的流体全部引入到标准秤中称重, 除以对应密度来计算流过的真实体积流量, ***终再用累积体积流量除以总脉冲个数计算出涡轮流量计的仪表系数。

  实验开始前首先开启油泵, 使润滑油在管道内匀速循环流动, 根据已知的介质粘度与温度的对应关系表, 选择要测试的介质粘度所对应的温度, 然后开始对介质加热, 使装置内的介质达到设定的温度及其对应的粘度。实验开始后, 实验员在上位机电脑上点击实验开始, 换向阀立即动作, 流过涡轮流量计的流体会全部引入到标准秤中, 与此同时电脑开始计时并采集涡轮流量传感器的输出脉冲数, 经过一分钟后停止, 标准秤会自动上传流体累积质量至上位机, 上位机通过该介质温度密度对应表再计算出体积, 再通过体积除以脉冲总个数得到仪表系数。在实验过程中, 系统计算机中的程序会记录单次实验持续的实验时间、累积总脉冲数、累积质量流量、瞬时流量、流体当前温度下的密度、流体温度等信息。可变粘度液体标准装置如图2所示。

图2 可变粘度液体标准装置实物图

  实验采用口径为DN10的涡轮流量传感器, 如图3所示。实验中选择10℃进行实验测试, 对应的流体介质的粘度为43.49cSt。选取0.3m3/h、0.5m3/h、0.7m3/h、0.9m3/h、1.1m3/h、1.3m3/h和1.5m3/h共7个流量点进行, 实验流量范围为0.3m3/h到1.5m3/h。

图3 涡轮流量传感器样机实物图

  实验中每个流量点均进行3次测量, (j=1, 2, 3) , 3次测量的平均仪表系数作为此流量点的仪表系数Ki (i=1, 2, 3, 4, 5) , 各流量点仪表系数***小值与***大值的平均值, 作为传感器的仪表系数。

  依照国标涡轮流量计检定规程, 累积流量的相对示值误差为:

  式中:Eij为第i检定点第j次检定时, 传感器相对示值误差, %;

  Vij为第i检定点第j次检定时, 涡轮流量计累积流量值, m3;

  (Vs) ij为第i检定点第j次检定时, 标准累积体积流量值, m3;

  第i检定点, 涡轮流量计流量计相对示值误差的值为[3]:

  实验测得在流体介质的粘度为43.49cSt条件下, DN10口径的涡轮流量传感器在各个实验流量点的仪表系数Ki如表1所示。

表1 流量点对应仪表系数 (1/L)  

使用函数拟合软件Originpro 2017对所得数据进行拟合, Origin为OriginLab公司出品的较流行的专业函数绘图软件, 是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的软件, 既可以满足一般用户的制图需要, 也可以满足用户数据分析、函数拟合的需要。

使用Origin软件中的四次多项式polynomial拟合公式, 使用***小二乘法, 得到如下函数, 其中流速为自变量X, 仪表系数为因变量Y:

图4为流量与仪表系数的拟合曲线图。

  表2为各对应流量点的拟合后仪表系数的误差。

  如果直接采用各个流量点的仪表系数取平均值得仪表系数为1610.68, 表3为未采用拟合修正公式流量点对应仪表系数误差。

图4 仪表系数拟合曲线图

表2 拟合后各流量点对应仪表系数误差 (%)

表3 未采用拟合修正公式流量点对应仪表系数误差 (%)  

  为证明该高粘度变流速自适应算法及公式的有效性, 重新选取四个流量点:0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h对该公式以及算法进行精度验证, 得到表4数据, 表5为各对应流量点的拟合后仪表系数的误差。

表4 实验测得流量点对应仪表系数 (1/L)

表5 验证实验各流量点对应仪表系数误差 (%)  

  如果直接采用各个流量点的仪表系数取平均值得仪表系数为1610.68, 表6为未采用拟合修正公式流量点对应仪表系数误差。

表6 未采用拟合修正公式流量点对应仪表系数误差 (%)

  实验结果表明, 经过这种高粘度变流速自适应算法修正后, 仪表系数精度提高到0.83%。如果只是简单将仪表系数取平均, ***大误差将达到4.4%。而且从修正后仪表系数误差值与未经过修正仪表系数误差值相比, 基本各个流量点精度都有较大的提升。

  本文对高粘度下涡轮流量计在测量变流速流体介质时的仪表系数变化规律进行了研究, 在43.49cSt粘度条件下, 使用DN10涡轮流量传感器在0.3m3/h~1.5m3/h流速范围内进行实验, 并提出一种高粘度变流速自适应算法, 该高粘度变流速算法能够将仪表系数精度由4.4%提高到0.83%, 并对此进行了验证, 结果证明此算法确实能够大幅提高涡轮流量计的测量精度。