基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)研究

李巧真，黃國(guó)元，房朝暉，白瑞峰

(1. 天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津300072；2. 天津大學(xué)新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理辦公室 天津300072)

基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)研究

李巧真1，黃國(guó)元2，房朝暉1，白瑞峰1

(1. 天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津300072；2. 天津大學(xué)新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理辦公室 天津300072)

基于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，研究開(kāi)發(fā)金屬管浮子流量計(jì)的性能測(cè)試與檢定實(shí)驗(yàn)。硬件采用數(shù)字量采集卡7505、脈沖量采集卡7606，對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上各種信號(hào)進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)采集測(cè)試、檢定數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件編程，對(duì)測(cè)試、檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)者運(yùn)用所學(xué)流體力學(xué)、檢測(cè)技術(shù)、誤差理論等方面的知識(shí)，對(duì)金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行性能測(cè)試、檢定、誤差計(jì)算；并通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握三次曲線擬合在浮子流量計(jì)非線性特性處理上的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī) 浮子流量計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)裝置 檢定

流量的精確測(cè)量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著密切關(guān)系，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著非常重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)完成流量測(cè)量的流量計(jì)提出了更高的要求。因此，本實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬管浮子流量計(jì)的性能測(cè)試和檢定，達(dá)到了金屬管浮子流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確定位的目的。[1]

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[2]由計(jì)算機(jī)、高位水塔、流量實(shí)驗(yàn)裝置、被檢表(金屬管浮子流量計(jì))等組成。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Computer control system for water flow standard device

通觀整個(gè)控制系統(tǒng)，得知：

計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)字量采集卡7505完成電磁閥的開(kāi)/關(guān)信號(hào)、換向器的開(kāi)/關(guān)信號(hào)及底閥的開(kāi)/關(guān)信號(hào)控制，標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖信號(hào)通過(guò)7606采集卡采入計(jì)算，電子秤讀數(shù)信號(hào)通過(guò)RS232串行通訊接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。[3]通過(guò)軟件編程，[4-5]對(duì)檢定測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、線性擬合等。

高位水塔起穩(wěn)定水頭作用，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的流量穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)在實(shí)驗(yàn)管路中，根據(jù)流體流動(dòng)連續(xù)性原理，在定常流動(dòng)下，流過(guò)它們的流量是相等的。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼調(diào)校電子秤可使其精度比標(biāo)準(zhǔn)表精度高出3倍，因此用稱重法檢定標(biāo)準(zhǔn)表，然后再用標(biāo)準(zhǔn)表檢定被校表。用稱重法檢定儀表朔源性好，但工作效率低，故一般實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行，并定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢定。[6]

2 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法—稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.2 Liquid flow standard device using standard meter method-weighing method

工作過(guò)程：用水泵將水池中的水打入水塔，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使水塔處于溢流狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的壓頭不變。待水流穩(wěn)定后，打開(kāi)截止閥，水通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表、上游直管段、被檢流量計(jì)、下游直管段、夾表器、調(diào)節(jié)閥、換向器，流出實(shí)驗(yàn)管路。

3 金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)研究

浮子流量傳感器又稱轉(zhuǎn)子流量傳感器。[7]本實(shí)驗(yàn)室用到的被檢定浮子流量計(jì)是金屬管浮子流量計(jì)，而金屬管浮子流量計(jì)的檢定實(shí)驗(yàn)是流量檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，也是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

金屬管浮子流量計(jì)引入計(jì)算機(jī)技術(shù)取代凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)算，將流量信號(hào)通過(guò)傳感器、轉(zhuǎn)換器由數(shù)字液晶顯示出來(lái)，并通過(guò)鍵盤置入密度、溫度、壓力等工況參數(shù)，具有智能化、高精度、使用方便、工作可靠等特點(diǎn)。

流量傳感器是將非電量的流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量信號(hào)的感應(yīng)裝置，金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)輸出的則是電壓信號(hào)。[8]由于其流量-電壓特性有較強(qiáng)的非線性，常用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行三次曲線擬合。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

金屬管浮子流量計(jì)管體由錐管和浮子組成，當(dāng)流體自下而上流入錐管時(shí)，被浮子節(jié)流，當(dāng)流體作用在浮子的動(dòng)壓力、浮子在流體中的浮力、浮子的重力達(dá)到平衡時(shí)，浮子就平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)某一位置上。浮子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管流量的大小一一對(duì)應(yīng)。其浮子位置高度是由角位移傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。因此，某一個(gè)流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓值，實(shí)驗(yàn)要求在各流量點(diǎn)下正反行程各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，將其平均值作為輸出電壓V0。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出Q～V0的關(guān)系式，再次進(jìn)行流量檢定實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證擬合公式的擬合精度。

3.2 金屬管浮子流量計(jì)性能測(cè)試

在浮子流量計(jì)的流量范圍內(nèi)選擇6～7個(gè)流量點(diǎn)(最好是均勻分布的，且由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)讀取)，調(diào)節(jié)閥門達(dá)到所要求的流量值點(diǎn)Q(瞬時(shí)流量m3/h)，測(cè)出與流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)的浮子輸出電壓V(從浮子的液晶顯示上讀得)。

從小流量向大流量測(cè)量稱正行程，反之稱反行程。正反行程各3次，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)全部測(cè)量完成時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將各流量點(diǎn)的電壓平均值V0計(jì)算出來(lái)。

3.3 擬合曲線Q～V0

圖3 檢定測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 Calibration testing data

圖4 Q～V0曲線擬合Fig.4 Q～V0curve fitting

擬合公式：

3.4 金屬管浮子流量計(jì)的檢定

再次選定5～6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，將這些點(diǎn)的浮子流量計(jì)的輸出電壓代入擬合公式，計(jì)算出通過(guò)浮子的流量。金屬管浮子流量計(jì)的檢定計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在圖5中，渦輪流量是指標(biāo)準(zhǔn)表流量，擬合曲線流量指將浮子電壓帶入3次擬合曲線公式后計(jì)算得到的浮子流量計(jì)的流量。

將浮子流量計(jì)的流量Q與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的流量Q0帶入計(jì)算滿度誤差[10]公式(2)，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)的滿度誤差E，并找出最大滿度誤差Emax。

圖5 金屬管浮子流量計(jì)的檢定結(jié)果Fig.5 Calibration result of the meal tube rotameter

計(jì)算滿度誤差：

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高等教育的深化改革，教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就顯得落后了。在原有的高位水塔的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改造和擴(kuò)建。除了保留稱重顯示儀以獲取電子秤的讀數(shù)，其余工作如定時(shí)、控制換向器動(dòng)作、控制底閥開(kāi)關(guān)、脈沖計(jì)數(shù)等都由計(jì)算機(jī)完成。實(shí)驗(yàn)中做到實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、處理。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代了原來(lái)繁多的儀器儀表，這使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度更高，實(shí)驗(yàn)手段更加先進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不僅對(duì)這門課加深了理解，而且對(duì)本專業(yè)其他課加以應(yīng)用；拓寬了知識(shí)面，感受到了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在流量測(cè)量領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)的金屬管浮子流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建成，為自動(dòng)化專業(yè)以及從事流量測(cè)量方面的研究人員提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。■

［1］ 張琳娜，劉武發(fā). 傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

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The Calibration Experiment Research on Metal Tube Rotameter Based on Computer

LI Qiaozhen1，HUANG Guoyuan2，F(xiàn)ANG Zhaohui1，BAI Ruifeng1
(1．School of Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Construction Planning and Management Office，Tianjin University New Campus，Tianjin 300072，China)

Based on the computer control system of standard set of water flow，the paper explores the performance measurement and calibration experiment of metal tube rotameter．Various signals with the system of standard set of water flow were controlled by the switch quantity acquisition module 7505 and pulse data acquisition module 7606，and test data were collected at the same time．The experiment proved that the testers have learnt to use fluid mechanics，measurement technology and error theory to carry out performance measurement，test and error calculation；the application of three curve fittings in nonlinear characteristics of the metal tube rotameter was realized.

computer；metal tube rotameter；standard set；calibration

TB633

：A

：1006-8945(2016)11-0033-03

2016-10-11