潤滑油計量;內燃機HLLWGY-20/RHY渦輪流量計;渦輪流量計信號

渦輪流量計是吸取了國內外流量儀表先進技術經過優(yōu)化設計，具有結構簡單、輕巧、精度高、復現性好、反應靈敏，安裝維護使用方便等特點的新一代渦輪流量計，廣泛用于測量封閉管道中與不銹鋼1Cr18Ni9Ti、2Cr13及剛玉Al2O3、硬質合金不起腐蝕作用，且無纖維、顆粒等雜質，工作溫度下運動粘度小于5×10-6m2/s的液體，對于運動粘度大于5×10-6m2/s的液體，可對流量計進行實液標定后使用，若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進行定量控制、超量報警等，是流量計量和節(jié)能的理想儀表。       

工作原理：

圖所示為渦輪流量傳感結構簡圖，由圖可見，當被測流體流 過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線圖中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號，經放大器放大后，送至顯示儀表顯示，渦輪流量計的流量方程可分為兩種：實用流量方程和理論流量方程。

實用流量方程  qv=f/k 公式1    qm=qvp 公式2

式中qv,qm……分別為體積流量，m3/s；質量流量，kg/s

f……流量計輸出信號的頻率Hz；K……流量計的儀表系數，P/m3

結構：

渦輪流量計主體、前支撐、渦輪、前置放大器、后支撐、導流器、軸承等組成，前置放大器內設置有磁鐵，感應線圈和放大單元，當被測流體經過流量計時，推動渦輪旋轉，渦輪周期性地改變磁路的磁阻值，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，從而在線圈內感應出脈動電信號，經放大和處理后傳送至二次儀表，或就地現場顯示，以實現流量積算。

產品特點：

1.高精確度，一般可達±1%R、±0.5%R，高精度型可達±0.2%R；
2.重復性好，短期重復性可達0.05%~0.2%；
3.就地顯示，瞬時流量和累積流量；
4.輸出脈沖頻率信號，4-20mA，485通訊
5.可獲得很高的頻率信號，信號分辨力強；
6.范圍度寬，中大口徑可達1：20，小口徑為1：10；
7.結構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大；
8.適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；
9.專用型傳感器類型多，可根據用戶特殊需要設計為各類專用型傳感器；
10.可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護方便。

技術參數：

流量范圍：

渦輪流量計高粘度變流速自適應算法有效性：

    渦輪流量計應用十分廣泛, 但是當被測介質運動粘度較高時, HLLWGY20渦輪流量傳感器儀表系數隨著流速的增加而變化, 波動較大, 其變化規(guī)律呈現非線性。本文研究了口徑為DN10的渦輪流量計在流體介質粘度為43.49cSt條件下其儀表系數隨流速變化的規(guī)律,通過在可變粘度標準裝置進行的實驗,得到實驗數據,擬合出了高粘度渦輪流量計流速修正算法,運用該算法,可以將渦輪流量計的儀表系數精度由4.4%提高到0.83%,并對此算法了進行實驗驗證,證明了該算法的有效性。

     渦輪流量計在流量測量領域有著非常廣泛的應用, 可以用于工業(yè)油品測量, 民用自來水測量以及科學計量[1]。渦輪流量傳感器屬于速度式流量計, 它的工作原理是利用流體流動時產生的推力使渦輪流量計渦輪葉片轉動, 渦輪穩(wěn)定轉速后, 流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比, 以此來計算被測流體的體積流量[2]。一般的, 我們把渦輪流量計單位時間內輸出的脈沖個數與實際流過流量的比值稱為渦輪流量計的儀表系數。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標定, 即通過實驗計算出該渦輪流量傳感器的儀表系數。由此可見, 渦輪流量傳感器的儀表系數精確度直接影響著蕞終流量數據測算的精確度。

     但是, 經過國內外科研人員的大量實驗證明, 被測流體介質的粘度對渦輪流量計測量時的儀表系數有著很大的影響, 當被測介質為水或者低粘度介質且流量高于0.5L/s時, 渦輪流量計儀表系數基本保持恒定, 但當被測介質粘度升高, 儀表系數會一直隨著粘度的增加而增加, 尤其是當介質粘度高于50cSt時, 其線性范圍完全消失。在實際的流量測量過程當中, 測量高粘度油品介質時, 很難保證介質流速恒定, 一旦出現流量波動, 渦輪流量計就會產生較大誤差。所以, 對渦輪流量計在高粘度介質測量時不同流速下的儀表系數進行分析有非常重要的意義。

1、實驗裝置：

     為研究渦輪流量計在高粘度介質測量時不同流速下儀表系數的變化規(guī)律, 使用中航工業(yè)4113計量站可變粘度標準裝置進行實驗, 該裝置被測流體介質為4050航空潤滑油, 其有著很好的高低溫性能, 正常使用溫度范圍為-40℃~200℃, 短期可達220℃。管道內潤滑油的流量大小由變頻油泵控制, 變頻輸出電壓為380~650V, 輸出功率為0.75~400kW, 工作頻率為0~400Hz, 它的主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加熱系統, 可以對航空潤滑油進行加熱, 以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控制使用可編程邏輯控制器, 內置PID算法, 由油箱中的溫度傳感器、油箱中的加熱器以及控制器構成閉合溫度控制回路, 保證油品介質在管道內高速循環(huán)流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5 m3/h~70 m3/h, 可變溫度范圍是-30℃~155℃, 油溫控制的精度為±5%, 標準秤的測量精度為0.02%, 裝置不確定度為0.05%。裝置結構原理圖如圖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, 使用電腦采集渦輪流量計輸出脈沖個數, 同時將流過的流體全部引入到標準秤中稱重, 除以對應密度來計算流過的真實體積流量, 蕞終再用累積體積流量除以總脈沖個數計算出HLLWGY20渦輪流量計的儀表系數。

     實驗開始前首先開啟油泵, 使?jié)櫥驮诠艿纼葎蛩傺h(huán)流動, 根據已知的介質粘度與溫度的對應關系表, 選擇要測試的介質粘度所對應的溫度, 然后開始對介質加熱, 使裝置內的介質達到設定的溫度及其對應的粘度。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, 經過一分鐘后停止, 標準秤會自動上傳流體累積質量至上位機, 上位機通過該介質溫度密度對應表再計算出體積, 再通過體積除以脈沖總個數得到儀表系數。在實驗過程中, 系統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、累積質量流量、瞬時流量、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息?？勺冋扯纫后w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, 對應的流體介質的粘度為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個流量點進行, 實驗流量范圍為0.3m3/h到1.5m3/h。

     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作為此流量點的儀表系數Ki (i=1, 2, 3, 4, 5) , 各流量點儀表系數蕞小值與蕞大值的平均值, 作為傳感器的儀表系數。

     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:

  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優(yōu)良值為[3]:

4、實驗數據和結果：

      實驗測得在流體介質的粘度為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Ki如表1所示。

表1 流量點對應儀表系數 (1/L)  

     使用函數擬合軟件Originpro 2017對所得數據進行擬合, Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數繪圖軟件, 是公認的簡單易學、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, 也可以滿足上等用戶數據分析、函數擬合的需要。

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, 其中流速為自變量X, 儀表系數為因變量Y:

      圖4為流量與儀表系數的擬合曲線圖。

      表2為各對應流量點的擬合后儀表系數的誤差。

      如果直接采用各個流量點的儀表系數取平均值得儀表系數為1610.68, 表3為未采用擬合修正公式流量點對應儀表系數誤差。

               圖4 儀表系數擬合曲線圖

             表2 擬合后各流量點對應儀表系數誤差 (%)

              表3 未采用擬合修正公式流量點對應儀表系數誤差 (%)  

     為證明該高粘度變流速自適應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數據, 表5為各對應流量點的擬合后儀表系數的誤差。

      如果直接采用各個流量點的儀表系數取平均值得儀表系數為1610.68, 表6為未采用擬合修正公式流量點對應儀表系數誤差。

      實驗結果表明, 經過這種高粘度變流速自適應算法修正后, 儀表系數精度提高到0.83%。如果只是簡單將儀表系數取平均, 蕞大誤差將達到4.4%。而且從修正后儀表系數誤差值與未經過修正儀表系數誤差值相比, 基本各個流量點精度都有較大的提升。

5、結論：

     本文對高粘度下渦輪流量計在測量變流速流體介質時的儀表系數變化規(guī)律進行了研究, 在43.49cSt粘度條件下, 使用DN10渦輪流量傳感器在0.3m3/h~1.5m3/h流速范圍內進行實驗, 并提出一種高粘度變流速自適應算法, 該高粘度變流速算法能夠將儀表系數精度由4.4%提高到0.83%, 并對此進行了驗證, 結果證明此算法確實能夠大幅提高渦輪流量計的測量精度。