渦輪流量計在流量測量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用, 可以用于工業(yè)油品測量, 民用自來水測量以及科學(xué)計量[1]。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)生的推力使渦輪流量計渦輪葉片轉(zhuǎn)動, 渦輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后, 流體流過的體積流量和渦輪的轉(zhuǎn)速成正比, 以此來計算被測流體的體積流量[2]。一般的, 我們把渦輪流量計單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)與實際流過流量的比值稱為渦輪流量計的儀表系數(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)度直接影響著***終流量數(shù)據(jù)測算的度。

  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)的粘度對渦輪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, 渦輪流量計儀表系數(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, 渦輪流量計就會產(chǎn)生較大誤差。所以, 對渦輪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。

  為研究渦輪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(gòu)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0.5 m3/h~70 m3/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(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

  該裝置的測量原理是靜態(tài)稱重法, 即在固定的時間內(nèi), 使用電腦采集渦輪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(yīng)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)計算出渦輪流量計的儀表系數(shù)。

  實驗開始前首先開啟油泵, 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(yīng)關(guān)系表, 選擇要測試的介質(zhì)粘度所對應(yīng)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(shè)定的溫度及其對應(yīng)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, 流過渦輪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(yīng)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?？勺冋扯纫后w標準裝置如圖2所示。

  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(yīng)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)。

  依照國標渦輪流量計檢定規(guī)程, 累積流量的相對示值誤差為:

  式中:Eij為第i檢定點第j次檢定時, 傳感器相對示值誤差, %;

  Vij為第i檢定點第j次檢定時, 渦輪流量計累積流量值, m3;

  (Vs) ij為第i檢定點第j次檢定時, 標準累積體積流量值, m3;

  第i檢定點, 渦輪流量計流量計相對示值誤差的值為[3]:

  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Originpro 2017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(xué)、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:

圖4為流量與儀表系數(shù)的擬合曲線圖。

  表2為各對應(yīng)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(yīng)儀表系數(shù)誤差。

  為證明該高粘度變流速自適應(yīng)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(yīng)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6為未采用擬合修正公式流量點對應(yīng)儀表系數(shù)誤差。

  實驗結(jié)果表明, 經(jīng)過這種高粘度變流速自適應(yīng)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。

  本文對高粘度下渦輪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(yīng)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(jié)果證明此算法確實能夠大幅提高渦輪流量計的測量精度。