靶式流量計動態(tài)標定裝置設計方案的探討

解海艇 黃富貴 王煥玲

(華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

0 引言

靶式流量計出現(xiàn)于20世紀60年代，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、不容易堵塞等優(yōu)點，主要用于高黏度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，也可用于測量一般氣體、液體和蒸汽等流體介質(zhì)的流量［1－3］。

目前，靶式流量計實流標定時要求流體為定常流，但其應用場合多為非定常流。在脈動流(周期性、隨機波動)等場合，靶式流量計往往無法準確地復現(xiàn)流量信號隨時間變化的規(guī)律。此外，當流體流動脈動頻率接近靶桿的固有頻率時，靶桿會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。這些因素都會對靶式流量計的準確度與可靠性產(chǎn)生影響。本文從靶式流量計的結(jié)構(gòu)特點及工作原理出發(fā)［4］，探索與構(gòu)思靶式流量計動態(tài)標定裝置的設計方案。

1 結(jié)構(gòu)特點與工作原理

靶式流量計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 靶式流量計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of target flowmeter

靶式流量計的工作原理是在測量管道的中心位置設置一靶體(信號發(fā)生體)，當流體流動沖擊位于管道中心位置的靶體時，作用于靶體上的力F與流體密度ρ、靶體受力面積A、流體流速v的平方成正比，其關系式如下:

通過數(shù)學變換推導，得到流量公式如下:

式中:qm為質(zhì)量流量;qv為體積流量;α為流量系數(shù);D為測量管道內(nèi)徑;β為流隙比(d為靶片的直徑，非圓形靶片可換算成圓的直徑計算)。

靶體的受力大小經(jīng)電阻應變片力傳感器轉(zhuǎn)換成微伏電信號，通過信號采集與放大、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器運算處理后，得到相應的流體流速和流量［5－8］。

2 動態(tài)標定裝置設計方案

對于一般的傳感器，根據(jù)其自身特點的不同(如電式、機械式、氣動式傳感器等)，可以對其施加正弦信號，分析其頻域響應特性;或施加階躍、斜坡、脈沖等信號，分析其時域響應特性。另外，還可以施加隨機信號進行相關分析［9－10］。

靶式流量計的動態(tài)標定就是通過試驗研究其在動態(tài)輸入信號作用下的響應特性，從而獲取能夠反映其動態(tài)特性的性能指標的過程。若要對靶式流量計進行動態(tài)標定，首先應該根據(jù)靶式流量計的工作原理及其自身特點，選擇和設計合適的標定信號及裝置來進行試驗。本文通過考慮動態(tài)標定的目的，結(jié)合靶式流量計的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設計了隨機信號法、脈沖信號法和負階躍信號法三種靶式流量計動態(tài)標定裝置設計方案。下面對這三種標定方案進行深入的探討與分析。

2.1 隨機信號法

隨機信號法是在一般的靶式流量計靜態(tài)標定系統(tǒng)的基礎上加以改造，產(chǎn)生隨機標定信號，以實現(xiàn)動態(tài)標定。

該方案的思路是將一個已知頻率特性并且具有良好動態(tài)特性的高精度、高性能的標準表與待標表先后串接在標定管道中，當原先的靜態(tài)標定系統(tǒng)中的定量泵開啟后，標定管道內(nèi)會產(chǎn)生流體流動相對比較穩(wěn)定的流量信號。而動態(tài)標定本身所需要的是一個動態(tài)變化的流體流量信號，可通過在管道出水口設置一個活動閥門來解決這個問題，具體為利用活動閥門的隨機開關運動產(chǎn)生一個隨機變化的流體流量信號。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集標準表所反映的流量信號與待標表的電壓輸出信號這兩路信號數(shù)據(jù)。因為標準表具有良好的動態(tài)特性，能比較準確地反映流體的流量情況，故假定采集到標準表的流量信號與流體流量信號相一致，將其作為待標表的輸入信號，與采集的待標表的電壓輸出信號一起傳輸給計算機。利用FFT、功率譜等數(shù)字信號處理的相關方法來估算待標表的頻率特性。最后將此頻率特性與已知的標準表的頻率特性進行對比，從而實現(xiàn)靶式流量計的動態(tài)標定。

隨機信號法方案示意圖如圖2所示。

圖2 隨機信號法方案示意圖Fig.2 The diagram of the random signal method

隨機信號法具有以下優(yōu)點:首先，在原有的靜態(tài)標定系統(tǒng)的基礎之上做適當?shù)母脑欤瑥亩梢杂帽容^低的成本來建立靶式流量計的動態(tài)標定系統(tǒng);其次，由于流體流動的復雜性，要使流體流量產(chǎn)生按正弦、階躍、沖擊等規(guī)律變化的標定信號幾乎是不可能的事情，而通過活動閥門的隨機開關運動產(chǎn)生隨機流量信號作為標定信號，可以很好地解決在標定信號產(chǎn)生方面存在的這個難點。

隨機信號法也存在一些缺點:首先，由于各生產(chǎn)廠家的流量計產(chǎn)品與現(xiàn)行市面上出售的各種流量計幾乎沒有與頻響特性等動態(tài)特性相關的性能指標，要獲取一個具有良好動態(tài)特性的標準表非常困難;其次，標準流量計本身也存在一些濾波的情況，直接采集其輸出的流量信號作為待標表的流量輸入信號，必然會帶來一些誤差，對待標表的動態(tài)標定產(chǎn)生負面的影響。

2.2 脈沖信號法

脈沖信號法是根據(jù)靶式流量計的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點構(gòu)思的一種標定裝置設計方案。

由靶式流量計的原理及結(jié)構(gòu)特點可知，靶式流量計主要是利用流體流動時對靶體的沖擊力使靶桿彎曲形變，從而帶動靶桿上面的電阻應變片形變所產(chǎn)生的電信號來進行流量測量。因此，從本質(zhì)上來看，靶式流量計其實就是一種電阻應變片式的力傳感器，故可借鑒對力、加速度等傳感器的動態(tài)標定方法來對靶式流量計進行動態(tài)標定。脈沖信號法就是運用激振器產(chǎn)生動作，并通過傳動機構(gòu)對靶體施加脈沖力信號來產(chǎn)生動態(tài)標定信號，實現(xiàn)對靶式流量計的動態(tài)標定。

該設計方案的標定過程為:利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過功率放大后，傳輸給激振器;激振器產(chǎn)生動作，利用傳動機構(gòu)給靶式流量計靶體發(fā)送一個正向的脈沖。這樣，靶式流量計就獲得了一個脈沖標定信號。數(shù)據(jù)采集卡采集函數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖標定信號與待標表輸出的電壓信號，并傳輸給計算機處理。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到頻率響應特性。脈沖信號法示意圖如圖3所示。

圖3 脈沖信號法示意圖Fig.3 The diagram of the pulse signal method

脈沖信號法的優(yōu)點是簡單可靠，能夠很容易地產(chǎn)生標定信號(脈沖信號)，產(chǎn)生的脈沖標定信號是一個具有確定規(guī)律的信號。因而輸入信號是一個已知的信號，只需將采集到的靶式流量計輸出的電壓信號與已知脈沖信號(函數(shù)發(fā)生器發(fā)生)的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，就可以利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等數(shù)據(jù)處理方法進行處理。

相對于隨機信號法來說，脈沖信號法的缺點是成本比較高。另外，利用激振器產(chǎn)生力脈沖信號，在實際操作中面臨一些困難和挑戰(zhàn)。

根據(jù)上述方案與隨機信號法的啟發(fā)，如果能夠得到具有很好動態(tài)特性的標準表，就可以利用激振器產(chǎn)生標定信號(力信號)，然后經(jīng)傳動機構(gòu)同時施加于標準表與待標表，通過兩者的比較來進行動態(tài)標定和評價。標定和評價的關鍵在于能否獲取具有很好動態(tài)特性和相關性能指標的標準表。

脈沖信號比較法示意圖如圖4所示。

圖4 脈沖信號比較法示意圖Fig.4 The diagram of the pulse signal comparing method

2.3 負階躍信號法

負階躍信號發(fā)生裝置如圖5所示。

圖5 負階躍標定信號發(fā)生裝置示意圖Fig.5 The diagram of the negative step signal generator

負階躍信號法是利用掛重裝置產(chǎn)生一個負階躍力信號來對靶式流量計進行動態(tài)標定。

負階躍信號發(fā)生裝置利用掛重裝置，在裝置上下同時懸掛兩個砝碼，放置一段時間后，在某個時刻用剪刀快速剪斷下面的砝碼，從而產(chǎn)生一個負階躍力的標定信號。

負階躍力信號示意圖如圖6所示。

圖6 負階躍信號示意圖Fig.6 The diagram of the negative step signal

負階躍法方案標定過程為:利用掛重裝置產(chǎn)生一個負階躍力信號給靶式流量計，利用數(shù)據(jù)采集卡采集靶式流量計的電壓輸出信號，將該信號傳輸給計算機并保存。由于掛重裝置所產(chǎn)生的標定信號是一個負階躍的力信號(物理量)，不是電信號，所以無法利用數(shù)據(jù)采集卡采集該標定信號數(shù)據(jù)來進行標定。對此，本方案通過構(gòu)造標定信號數(shù)據(jù)的方法來解決這個問題。標定信號是一個負階躍的力信號，根據(jù)采集的響應信號(靶式流量計的電壓輸出信號)的數(shù)據(jù)，視標定信號與響應信號的起跳點同步，據(jù)此構(gòu)造標定信號(負階躍力信號)數(shù)據(jù)，得到標定信號與輸出信號數(shù)據(jù)。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到靶式流量計的頻率響應特性。

負階躍信號法的優(yōu)點有:首先，該方案成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，信號發(fā)生裝置只需利用現(xiàn)有的干標掛重裝置即可;其次，標定信號是已知的負階躍信號，只需采集靶式流量計輸出的電壓信號。

負階躍信號法的缺點是:當快速剪斷繩子，突然釋放底下的砝碼，在理論上可產(chǎn)生一個負階躍力信號，但是，繩子本身具有一定的彈性，并且掛重裝置上還存在滑輪，因而繩子在經(jīng)過滑輪時，還要受到摩擦力的影響，因此，所產(chǎn)生的標定信號并不是一個理想的負階躍信號。

3 結(jié)束語

本文基于對靶式流量計結(jié)構(gòu)特點、工作原理的認識，構(gòu)思出隨機信號法、脈沖信號法和負階躍信號法三種動態(tài)標定裝置的設計方案。其中，隨機信號法的成本低，但難以獲取具有良好動態(tài)性能指標的標準表。脈沖信號法通過函數(shù)發(fā)生器發(fā)生標定信號給激振器產(chǎn)生動作，利用傳動機構(gòu)對靶體施加標定信號，易于實現(xiàn)，但成本較高。而負階躍信號法成本低廉，裝置簡單可靠、可行性高。比較三種設計方案的優(yōu)缺點，認為負階躍信號法為最佳標定裝置設計方案，可實現(xiàn)靶式流量計的動態(tài)標定。

［1］袁中林，梁君英.靶式流量計的分類及應用［J］.自動化儀表，2008，29(4):67 －70.

［2］張婉萍，李世武.基于FLUENT的靶式流量計數(shù)值模擬與研究［J］.煤氣與熱力，2011，31(4):A14 －A18.

［3］梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［4］紀綱.流量測量儀表應用技巧［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

［5］晏立強，馮立，程杰.淺談應變靶式流量計的使用［J］.現(xiàn)代制造技術與裝備，2012(1):50－51.

［6］蔡武昌，孫懷清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001.

［7］程毅，吳友謙，王義華.應變靶式流量計的原理及設計［J］.中國科技財富，2009(8):88.

［8］蔣慶，周澤魁，楊娜.應變靶式流量計的誤差分析與對策［J］.自動化儀表，2002，23(6):12 －13.

［9］馬修水，鐘偉紅，徐科軍.傳感器與檢測技術［M］.杭州:浙江大學出版社，2009.

［10］劉廣孚，張為公.車輪力傳感器的側(cè)向力標定方法［J］.儀表技術與傳感器，2010(3):100－103.