科氏質(zhì)量流量計(jì)多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

董　帥, 侯其立, 徐科軍,2, 石　巖 , 陶波波, 劉　錚

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 安徽 合肥　230009；2. 工業(yè)自動(dòng)化安徽省工程技術(shù)研究中心, 安徽 合肥　230009)

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科氏質(zhì)量流量計(jì)多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

董帥1, 侯其立1, 徐科軍1,2, 石巖1, 陶波波1, 劉錚1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 安徽 合肥230009；2. 工業(yè)自動(dòng)化安徽省工程技術(shù)研究中心, 安徽 合肥230009)

為實(shí)現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計(jì)的研究和應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一套科氏質(zhì)量流量計(jì)多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置,重點(diǎn)介紹了該實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵部件選型和技術(shù)指標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用表明,該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理、功能完善、測(cè)試準(zhǔn)確可靠,可以用來進(jìn)行單相流、氣液兩相流等實(shí)驗(yàn)。

科氏質(zhì)量流量計(jì)； 實(shí)驗(yàn)裝置; 單相流； 氣液兩相流； 多參數(shù)測(cè)量

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱科氏質(zhì)量流量計(jì))可以直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量,測(cè)量精度高，還能測(cè)量流體密度等參數(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景[1]?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)主要應(yīng)用于單相液體質(zhì)量流量的測(cè)量[2]。而工業(yè)應(yīng)用中,常遇到氣液兩相流的測(cè)量,如在食品加工和油料運(yùn)輸過程等,常用高壓壓縮空氣吹洗管道,氣體不可避免會(huì)混入液體當(dāng)中,導(dǎo)致氣液兩相流發(fā)生[3]。當(dāng)今,氣液兩相流測(cè)量是科氏質(zhì)量流量計(jì)所面臨的工業(yè)難題[4-14]。研究科氏質(zhì)量流量計(jì)單相和氣液兩相流測(cè)量需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此,科氏質(zhì)量流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的研制是解決科氏質(zhì)量流量計(jì)面臨的難題的前提。

本課題組設(shè)計(jì)了一套用于6 mm及以下口徑傳感器的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置,該實(shí)驗(yàn)裝置以愛默生6 mm三角形科氏質(zhì)量流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表。該實(shí)驗(yàn)裝置目前已投入使用,是國(guó)內(nèi)高校第一臺(tái)科氏質(zhì)量流量計(jì)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)演示裝置[15]。

為了研究更大口徑科氏質(zhì)量流量計(jì)和獲得更多的科氏質(zhì)量流量計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)了基于稱重法的科氏質(zhì)量流量計(jì)多參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置(以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)裝置),該實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)?5 mm及以下口徑的科氏傳感器進(jìn)行單相水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、氣液(空氣-水)兩相流實(shí)驗(yàn)、液體加熱實(shí)驗(yàn)和壓損實(shí)驗(yàn)。

1　裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)科氏質(zhì)量流量計(jì)單相流和氣液兩相流實(shí)驗(yàn)的需要,使用稱重裝置作為標(biāo)準(zhǔn)表,采用循環(huán)實(shí)驗(yàn)的方案。裝置由水循環(huán)管路和加氣管路組成。水流量通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,最后流入稱重裝置；氣體由加氣管路加入,通過氣液混合器混合,形成氣液兩相流。由于科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量精度還與科氏傳感器安裝方式有關(guān),本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)科氏傳感器的水平和垂直兩種安裝方式的切換。

如圖1所示,該實(shí)驗(yàn)裝置主要由PLC、水泵、空壓機(jī)、氣體羅茨流量計(jì)、氣體玻璃浮子流量計(jì)、液體渦輪流量計(jì)、稱重裝置(含電子秤和稱重水箱)、換向器、溫控器、穩(wěn)壓罐、溫度計(jì)、差壓計(jì)、密度計(jì)、水箱及氣動(dòng)球閥等組成。水循環(huán)管路中安裝一個(gè)旁路式穩(wěn)壓罐,可以減小水流動(dòng)的脈動(dòng)。在科氏傳感器的下游安裝一個(gè)透明模型,用于觀察氣液兩相流混合的均勻程度。氣體是由空壓機(jī)產(chǎn)生,并利用氣體羅茨流量計(jì)或氣體玻璃浮子流量計(jì)測(cè)量其體積流量。累積的水質(zhì)量流量由稱重裝置測(cè)量。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置通過WinCC監(jiān)控軟件對(duì)水泵、空壓機(jī)、氣動(dòng)球閥及換向器等進(jìn)行控制,并對(duì)質(zhì)量流量計(jì)、氣體羅茨流量計(jì)、液體渦輪流量計(jì)、電子秤、溫度計(jì)、差壓計(jì)及密度計(jì)的信號(hào)進(jìn)行采集和處理,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定和數(shù)據(jù)記錄。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)裝置具有單向水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、氣液兩相流實(shí)驗(yàn)、液體加熱實(shí)驗(yàn)和壓損實(shí)驗(yàn)的功能,各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作原理如下:

(1) 單相水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。單相水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)分為單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(即動(dòng)態(tài)質(zhì)量法)和單相水靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(即靜態(tài)質(zhì)量法)。

① 單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。通過換向器的切換,測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)流過被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對(duì)比而得出測(cè)量誤差。具體操作：換向器切換至1路,水通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大??；開始實(shí)驗(yàn),換向器切換至2路,稱重裝置凈重值清零,與此同時(shí),PLC開始采集被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)流量脈沖；實(shí)驗(yàn)結(jié)束,換向器切換回1路,PLC停止采集被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)流量脈沖,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。這樣,通過比較科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與稱重裝置測(cè)量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計(jì)單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)誤差。

② 單相水靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。通過氣動(dòng)閥1的啟停,測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)流過被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對(duì)比而得出測(cè)量誤差。具體操作：換向器切換至1路,水通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,氣動(dòng)閥1關(guān)閉,換向器切換至2路；開始實(shí)驗(yàn),氣動(dòng)閥1打開,稱重裝置凈重值清零,與此同時(shí),PLC開始采集被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)輸出的流量脈沖；實(shí)驗(yàn)結(jié)束,氣動(dòng)閥1關(guān)閉,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。通過比較科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與稱重裝置測(cè)量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計(jì)單相水靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)誤差。

(2) 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)。在水中均勻混合一定比例的空氣,測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)流過被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的混合流體的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對(duì)比而得出測(cè)量誤差。具體操作：換向器切換至1路,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,根據(jù)儀表球閥2或儀表球閥3調(diào)節(jié)氣體流量大小,水和氣體經(jīng)氣液混合器混合后形成氣液兩相流,流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱；開始實(shí)驗(yàn),換向器切換至2路,稱重裝置凈重值清零,與此同時(shí),PLC開始采集被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)流量脈沖；實(shí)驗(yàn)結(jié)束,換向器切換回1路,PLC停止采集被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)流量脈沖,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。通過比較科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與稱重裝置測(cè)量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計(jì)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)誤差。

(3) 液體加熱實(shí)驗(yàn)。通過溫控器控制加熱棒,可以將水溫度控制在室溫至60 ℃之間,即可在不同溫度下進(jìn)行單相水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、氣液兩相流實(shí)驗(yàn)等。

(4) 壓損實(shí)驗(yàn)。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,進(jìn)行單相水標(biāo)定,PLC自動(dòng)采集差壓變送器的壓力,再改變水流量大小進(jìn)行測(cè)量,這樣,便可以得到不同水流量下科氏傳感器的壓損數(shù)據(jù)。

2　關(guān)鍵部件選型或設(shè)計(jì)

為了達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能,對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置中一些關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型或設(shè)計(jì),分別介紹如下。

(1) 電子秤。本實(shí)驗(yàn)裝置是以電子秤為標(biāo)準(zhǔn)表而設(shè)計(jì),WU150L-560電子秤最大量程為150 kg,分辨率為20 g,測(cè)量精度高,上位機(jī)可通過以太網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控,以其為標(biāo)準(zhǔn)表,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際使用時(shí),為驗(yàn)證被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的重復(fù)性,每個(gè)流量點(diǎn)需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,因而每次實(shí)驗(yàn)累積流量在30 kg左右,這樣3次實(shí)驗(yàn)累積的流量在120 kg左右。

(2) 換向器。無論是單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),還是氣液兩相流實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束都是通過換向器換向來完成的,因此換向器切換速度和可靠性對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的精度具有決定性影響。DHX-25型換向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)械壽命長(zhǎng),操作方便,用光電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換器精確控制計(jì)時(shí),換向行程時(shí)間不超過100 ms,2個(gè)方向上行程時(shí)間差不大于20 ms,凡接觸液體介質(zhì)的部件全部用不銹鋼制作,因此,本裝置選擇該型號(hào)換向器。

(3) 水泵。本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的最大流量為100 kg/min(6m3/h),因此,水泵的額定功率應(yīng)該大于6 m3/h。另外,水流量的穩(wěn)定性也會(huì)影響科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度,因此水泵抽出的水流量脈動(dòng)性要小。為此,選擇浙江利歐生產(chǎn)的LVS5型多級(jí)水泵,其具體參數(shù):最大揚(yáng)程為74 m，最大流量為8 m3/h，功率為2.2 kW。

在安裝過程中,要盡量減弱水泵的振動(dòng),以減小其對(duì)被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)的不良影響。

(4) 空壓機(jī)?？諌簷C(jī)需要產(chǎn)生足夠流量、足夠壓力的氣體,其一為氣動(dòng)閥提供動(dòng)力,其二為氣液兩相流實(shí)驗(yàn)提供氣體,使氣液兩相流實(shí)驗(yàn)時(shí)氣液混合比能達(dá)到35%。由于空壓機(jī)頻繁工作,需要其性能可靠、壽命長(zhǎng)。所以選擇捷豹EV-51型空壓機(jī),其具體參數(shù):功率為1.5 kW，排氣量為0.21 m3/min，壓力為8×105Pa。

(5) 水箱。本實(shí)驗(yàn)裝置采用循環(huán)實(shí)驗(yàn)的方案,因此需要一個(gè)水箱實(shí)現(xiàn)水路的循環(huán)?？紤]到水的溫度對(duì)水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置精度的影響[16],設(shè)計(jì)了長(zhǎng)、寬、高分別為1.6 m、1.3 m、0.9 m的不銹鋼水箱,可以保證被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)在一次完整的水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程中水的溫度不發(fā)生明顯變化(一般能保持在2 ℃內(nèi)變化)。

(6) 氣液混合器。在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)中,氣液混合均勻程度會(huì)影響到氣液兩相流實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8],因而設(shè)計(jì)了一個(gè)氣液混合器,并安裝在被測(cè)科氏質(zhì)量流量計(jì)上游。水和空氣在氣液混合器中均勻混合后,再通過管道流入被測(cè)科氏傳感器中。

3　實(shí)驗(yàn)裝置精度和指標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)裝置加工制造完成后,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置上安裝愛默生25 mm口徑三角形科氏質(zhì)量流量計(jì)(0.1級(jí)精度),進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn),以考核本裝置的精度和所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過實(shí)際考核,該實(shí)驗(yàn)裝置的精度和指標(biāo)見表1。實(shí)際考核表明,該裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能和指標(biāo),可以用于實(shí)際應(yīng)用。

表1　本裝置的精度和指標(biāo)

4　實(shí)際應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)裝置主要功能是實(shí)現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計(jì)單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和氣液兩相流實(shí)驗(yàn),在該實(shí)驗(yàn)裝置上安裝項(xiàng)目組研制的變送器,匹配國(guó)產(chǎn)的某25 mm口徑的科氏傳感器,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

(1) 單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。按照科氏質(zhì)量流量計(jì)檢定規(guī)程JJG1038—2008[17-18],單相流情況下應(yīng)對(duì)被檢儀表在不同流量點(diǎn)下進(jìn)行標(biāo)定,檢定流量點(diǎn)依次為qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmax、qmin、qmax(qmax為最大流量，qmin為最小流量),每個(gè)流量點(diǎn)的每次實(shí)際檢定流量與設(shè)定流量的偏差不超過設(shè)定流量的±5%,每個(gè)流量點(diǎn)的檢定次數(shù)不少于3次。表2為單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2　單相水動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見,流量從110～11 kg/min范圍內(nèi),我們研制的變送器的測(cè)量精度優(yōu)于0.1%,測(cè)量重復(fù)性優(yōu)于0.05%。

(2) 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行氣液兩相流實(shí)驗(yàn)時(shí),需要采集不同水流量、不同含氣量下實(shí)驗(yàn)誤差。因裝置上測(cè)量氣體的浮子流量計(jì)和羅茨流量計(jì)反應(yīng)不夠靈敏,在加氣量較小時(shí)無刻度顯示,且裝置中的壓力表不夠準(zhǔn)確,無法精確得到含氣量,但是根據(jù)被檢表算出的流體密度,可以間接反映加入氣體流量的多少。兩相流發(fā)生時(shí),被檢表根據(jù)算出的信號(hào)頻率,得到混合物的密度,再結(jié)合單相液體密度值,即可計(jì)算出密度降。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,是用密度降來間接反映含氣量。

氣液兩相流下,科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量誤差很大,為此在研制的變送器的程序中,加入了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模得到的誤差修正模塊,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　氣液兩相流測(cè)量誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)氣液兩相流測(cè)量,在流量為35～95 kg/min范圍內(nèi),密度降從0～30%變化時(shí),測(cè)量精度優(yōu)于5%。

5　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于稱重法的科氏質(zhì)量流量計(jì)多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置,該實(shí)驗(yàn)裝置稱量一次實(shí)驗(yàn)過程中的液體的累積質(zhì)量流量為標(biāo)準(zhǔn)值,與標(biāo)準(zhǔn)表法相比較具有更高的標(biāo)定精度。該實(shí)驗(yàn)裝置具有測(cè)量多種參數(shù)功能,能夠進(jìn)行單相水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、氣液兩相流實(shí)驗(yàn)、液體加熱實(shí)驗(yàn)和壓損實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置為科氏質(zhì)量流量計(jì)算法的研究及其應(yīng)用推廣打下了基礎(chǔ)。目前,該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室投入使用,并取得了良好的效果。

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[18] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1038—2008科里奧利質(zhì)量流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2008.

Design of a multi-parameter measuring experimental device for Coriolismass flowmeter

Dong Shuai1, Hou Qili1, Xu Kejun1,2, Shi Yan1, Tao Bobo1, Liu Zheng1

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China;2. Engineering Technology Research Center of Industrial Automation of Anhui Province, Hefei 230009, China)

In order to realize the research and application of Coriolis mass flowmeter,the multi-parameter measuring experimental device for Coriolis mass flowmeter is designed. The structure and principle of the experimental device,the selection of key parts and technical indicators are highlighted. The applications prove that this device has reasonable design,perfect performance and accurate measurement ability. It can be used to realize the experiments of single phase flow and gas-liquid two-phase flow.

Coriolis mass flowmeter; experimental device; single phase flow；gas-liquid two-phase flow；multi-parameter measuring

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.024

2015- 06- 03修改日期：2015- 07- 15

2014年安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014gxk003)資助

董帥(1988—)，男，安徽六安，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)

E-mail：dong_hfut@foxmail.com

徐科軍(1956—)，男，江蘇無錫，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、自動(dòng)化儀表和數(shù)字信號(hào)處理.

E-mail：dsplab@hfut.edu.cn

TH814;G484

A

1002-4956(2016)1- 0096- 04