高粘度渦輪流量計變速自適應(yīng)算法試驗

　　渦輪流量計已廣泛應(yīng)用于流量測量領(lǐng)域，可用于工業(yè)油品測量，民用自來水測量和科學(xué)測量[1]。渦輪流量傳感器屬于速度流量計。其工作原理是利用流體流動過程中產(chǎn)生的推力使渦輪流量計的渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。在渦輪機具有穩(wěn)定的速度之后，流過流體的體積流量與渦輪機速度成比例，從而計算測量的流體的體積流量[2]。通常，渦輪流量計每單位時間輸出的脈沖數(shù)與實際流量之比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校準，即通過實驗計算出渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)。因此，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)精度直接影響最終流量數(shù)據(jù)測量的精度。

　　但經(jīng)過大量實驗表明，國內(nèi)外研究人員通過介質(zhì)對渦輪流量計測量儀器的粘度流量系數(shù)有很大影響，當(dāng)測量中，中低粘度，水流量高于0.5 L時/ s，渦輪流量計，儀表系數(shù)保持恒定，但當(dāng)測量介質(zhì)粘度較高時，儀表系數(shù)隨粘度增加而增加，特別是當(dāng)介質(zhì)粘度高于50 CST時，其線性范圍完全消失。在實際的流量測量過程中，當(dāng)測量高粘度油品的介質(zhì)時，很難確保介質(zhì)速度恒定，一旦發(fā)生流量波動，渦輪流量計就會產(chǎn)生很大的誤差。因此，在測量高粘度介質(zhì)時，分析不同流量下渦輪流量計的儀表系數(shù)具有重要意義。

　　1.實驗設(shè)備：

　　對于高粘度介質(zhì)中渦輪流量計在不同流速測量儀器系數(shù)變化規(guī)律下的研究，使用avic 4113計量站，變粘度標準實驗裝置是4050航空潤滑油的裝置當(dāng)前體介質(zhì)，它具有很好的高度和低溫性能，使用溫度范圍為正常 - 40℃~200℃，短期可達220℃。管道中的潤滑油流量由變頻泵控制。變頻輸出電壓380~650V，輸出功率0.75~400kW，工作頻率0~400Hz。其主電路采用交直流交流電路。在罐中內(nèi)置加熱系統(tǒng)，通過加熱航空潤滑油來改變被測介質(zhì)的粘度。采用可編程邏輯控制器進行溫度控制，內(nèi)置PID算法，油箱溫度傳感器，加熱器油箱和控制器在閉環(huán)溫度控制下，確保管道內(nèi)高速循環(huán)油介質(zhì)和溫度誤差為不超過+ / - 1℃。該裝置可測量流量范圍為0.5 m3 / h~70 m3 / h，可變溫度范圍為-30℃~155℃，油溫控制精度為正負5%，標準刻度測量精度為0.02%，工廠不確定性為0.05%。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　2、實驗原理：

　　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, 最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(dāng)前溫度下的密度、流體溫度等信息。可變粘度液體標準裝置如圖2所示。

　　3、實驗方案：

　　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

　　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)蕞小值與蕞大值的平均值, 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:

　　計算公式

　　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絕隊值為[3]:

　　計算公式

　　4、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果：

　　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, 也可以滿足高級用戶數(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, 使用蕞小二乘法, 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:

　　計算公式

　　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, 蕞大誤差將達到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。