新型智能差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)
新型智能差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)
流量、溫度、壓力儀表并稱為三大儀表。流量熱能動(dòng)力領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù), 目前廣泛使用的仍是渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、孔板流量計(jì)、畢托管流量計(jì)等。綜觀其采用的流量測(cè)量方法, 因?qū)軆?nèi)流體流態(tài)、截面來(lái)流速度的分布及管壁邊界層的形成等流場(chǎng)機(jī)理研究不夠, 或分析不*的緣故, 致使測(cè)量誤差偏大、準(zhǔn)確度欠佳。本文在分析管內(nèi)流體流動(dòng)的基礎(chǔ)上, 構(gòu)思出另一種較為理想的差壓式流體流量測(cè)試方法, 在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)差壓式流量計(jì)。由于儀表的準(zhǔn)確度是儀表設(shè)計(jì)的核心, 本文詳細(xì)分析了新型差壓流量計(jì)的誤差成因, 并得出修正方法, 提高了儀表的準(zhǔn)確度。同時(shí), 還設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的智能化流量測(cè)量變送、積算修正、顯示及遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。
新差壓流量計(jì)的誤差分析與修正
根據(jù)所設(shè)計(jì)的差壓流量計(jì), 其誤差來(lái)源可分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差有安裝偏斜誤差; 電壓波動(dòng)誤差; 流體密度..測(cè)量誤差; 壓差測(cè)量誤差等。這些誤差可通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量來(lái)消除。系統(tǒng)誤差有沿程損失誤差; 探頭管柄堵塞引起的誤差; 壓力測(cè)量誤差; 紊流引起的原誤差等。要提高所設(shè)計(jì)儀表的準(zhǔn)確度, 必須分析各誤差的形成來(lái)加以修正。
沿程壓力損失誤差與修正
伯努利方程是無(wú)粘流體條件下得到的理想狀態(tài)方程, 而實(shí)際流體都有粘性, 存在壓力損失。在圖1 中, 由管1 到管2 之間的壓力損失p = .. ld .. .... u2 2 , 式中.. ..為沿程阻力系數(shù); l 為管1, 管2 之間流體管段長(zhǎng)度, m; d 為管內(nèi)徑, m。關(guān)系式: ..p 測(cè)= ..p 實(shí)+ p , 式中.. ..p 測(cè)為管1, 管2 點(diǎn)之間測(cè)量壓差, Pa; ..p 實(shí)為管1, 管2 點(diǎn)之間真實(shí)壓差, Pa。可見(jiàn), 為了減少壓力損失p , 降低誤差, 應(yīng)盡量縮短測(cè)量管1, 管2 點(diǎn)之間的距離。誤差修正時(shí), 應(yīng)以測(cè)量壓差..p 測(cè)減去沿程壓力損失p , 得到實(shí)際壓差..p 實(shí); 當(dāng)流速在某一范圍內(nèi)變化時(shí), p 值變化不大, 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
探頭管柄堵塞引起的誤差與修正
在管道中插入探頭, 使得流體流過(guò)截面面積減小, 由此引起的效應(yīng)是流速增加, 測(cè)量壓差增大, 引起的誤差需要修正。
壓力測(cè)量誤差與修正
由于制造裝置誤差, 探頭所測(cè)的壓力與真實(shí)壓力之間由一定偏差, 可利用校正系數(shù).. 來(lái)修正。
紊流修正
在紊流流動(dòng)中, 其脈沖速度直接影響系統(tǒng)測(cè)量總壓、靜壓, 定性分析如下。設(shè)u , v , w 分別為測(cè)量探頭軸向、切向、徑向的紊流脈動(dòng)流速, .. u2, .. v2, ..w 2 分別為它們的均方值, 此時(shí)探頭總能為p 總+ ..2 v 2總+ ..2 (.. u2 + .. v2 + w..2) . 對(duì)下游靜壓, 軸向速度分量u 不起作用, 但切向、徑向分量卻被靜壓吸收。靜壓總能為p 靜+ ks ..(.. v2 + ..w 2) , 式中.. ks 為任一修正靜壓孔處的脈動(dòng)流速與總壓管處脈動(dòng)流速的差異。這樣, 測(cè)量壓差為....= ..2 v 2總+ ..2 (.. u2 + .. v2 + w..2) - ks ..(.. v2 + ..w 2) . 因此, 脈動(dòng)流速均方值影響了系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)上面對(duì)整個(gè)流量計(jì)的誤差分析和修正方法, 采用實(shí)驗(yàn)方法得到各修正系數(shù), 在單片機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)。
智能差壓流量計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)式( 11) 的方程, 本文利用單片機(jī)對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算和誤差修正, 并就地顯示; 同時(shí)還設(shè)計(jì)了數(shù)字遠(yuǎn)程通信接口, 將流量以數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、以圖表顯示打印。整個(gè)流量計(jì)由一次儀表、二次儀表構(gòu)成, 見(jiàn)圖1。一次儀表包括帶管式的針式探頭、壓力傳感器、壓差傳感器; 二次儀表由壓力變速器、壓差變速器和基于單片機(jī)的流量積算修正儀及脈沖數(shù)字顯示儀構(gòu)成。在流量計(jì)中, 總壓管1 與靜壓管2 取得的壓力通過(guò)壓差傳感器轉(zhuǎn)變成12mV 的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào), 信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理, 在流量積算儀中按式( 11) 運(yùn)算后, 得到被測(cè)流量Q, 直接顯示出來(lái)。壓力修正系數(shù)..、管道內(nèi)直徑d 作為已知量置于計(jì)算程序中; 流體密度..、流體系數(shù)k 由具體測(cè)量項(xiàng)目定下后輸入計(jì)算程序中。單片機(jī)選用新型的Philips 系列P87LPC64 單片機(jī), 內(nèi)部具有I2C 總線接口, 編程簡(jiǎn)單, 方便與PC 機(jī)通信。
試驗(yàn)結(jié)果
用準(zhǔn)確度為0. 1 級(jí)的水流標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流校驗(yàn)。給出測(cè)量不確定度報(bào)告。
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