植物油管道（dào）流量計高粘度變流速自適應研究
點擊次數（shù）：1975 發布時間：2021-01-19 14:57:12
摘要：植物（wù）油（yóu）管道流量計應用十分廣泛，但是當被（bèi）測介質運動粘度（dù）較高時，渦輪（lún）流量（liàng）傳感器（qì）儀表係數隨著流速的增加而變化，波動較大，其變化規律呈現（xiàn）非線性。本文（wén）研究了口徑為DN10的植物（wù）油管道流量計在流體介質粘度為43.49cSt條件下其儀（yí）表係數隨流速變化的規律，通過在（zài）可變粘度標準裝置進行的實（shí）驗，得到實驗數據，擬合出了高粘度植物油管道流量（liàng）計流速修正算法，運用該算法，可以將植物油管道（dào）流量計的儀表係數精度由4.4%提（tí）高到0.83%，並對此算法（fǎ）了（le）進行實（shí）驗驗證，證明（míng）了該算（suàn）法的有效性。
植物油管道流（liú）量計在流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用於工業油品測量，民用自來水測量以及科學計量。渦輪流量傳感器屬於速度式流量計，它的工作原理是利用流體流動時產生的（de）推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定（dìng）轉速後，流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此（cǐ）來計算（suàn）被測流體的體（tǐ）積流量。一般的，我們把（bǎ）植物油管道流量計單位時間內輸出的脈衝個數與實際流過（guò）流量的比值稱為植物油管道（dào）流量計的儀表係數。渦輪流（liú）量傳感器需要在投入使用前（qián），在標準計量裝置上進行標定，即通過實驗計算出該（gāi）渦輪流量傳感器的儀表係數。由此可見（jiàn），渦輪流（liú）量傳感器的儀表係數精確度直接影響著*終流量（liàng）數（shù）據測算的精確（què）度。
但是，經過（guò）國內外科研人員的大量實驗證（zhèng）明，被測流體介質的粘度對植物（wù）油管道流量計測量時的儀表係數有（yǒu）著很大的影響，當（dāng）被測介質為水或者低粘度介質且（qiě）流量高於0.5L/s時，植物油管道流量（liàng）計儀表係（xì）數基本保持（chí）恒定，但當被測介質粘度（dù）升高，儀表係數會一直（zhí）隨著粘度的增加而增加，尤其是當介（jiè）質粘度高於50cSt時（shí），其線性範圍（wéi）完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘度（dù）油品介質時，很難保證介質流速恒定，一（yī）旦出現流量波動，植物油管道流量計就會產生較大誤差。所（suǒ）以，對植物（wù）油管道流量計（jì）在高粘度介質（zhì）測量時不同流速下的儀表係數進行分析有非常重要的意義。
1實驗裝置
為研（yán）究植物油管道流量計在高粘度介（jiè）質測量時不同流速下儀表係數的變化（huà）規律，使用（yòng）中航工業（yè）4113計量站可變粘度標（biāo）準裝置進行實驗（yàn），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（néng），正常（cháng）使用溫度範（fàn）圍為-40℃～200℃，短期可達220℃。管道內（nèi）潤滑油的流量大小由變頻油泵控製，變頻輸出（chū）電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它（tā）的主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加（jiā）熱係統，可以對航空（kōng）潤（rùn）滑油進行（háng）加熱，以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控製使用可編程（chéng）邏輯（jí）控製器（qì），內置PID算法，由油箱中的（de）溫度傳感器、油（yóu）箱中的加熱器以及控製器構成閉合溫度控製回（huí）路，保證油品（pǐn）介質在管道內高（gāo）速循環流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量範圍（wéi）是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度範圍是-30℃~155℃，油溫控製的精度為±5%，標準（zhǔn）秤的測量精度為0.02%，裝置不（bú）確定度為0.05%。裝置結構原理圖如圖1所（suǒ）示。
2實驗原理
該裝置的（de）測量原（yuán）理是（shì）靜態稱重（chóng）法，即在固定的時間（jiān）內，使用電（diàn）腦采集植物油管道流量計輸出脈衝個數，同時（shí）將流過的流體（tǐ）全（quán）部引（yǐn）入到標準秤中稱重（chóng），除（chú）以對應密度來計算流過的真實體積流（liú）量，*終再用累積體積（jī）流量除以總脈衝個數計算出植物油管道流量計（jì）的儀表係數。
實驗開始前*先開（kāi）啟油泵，使潤（rùn）滑油在（zài）管道內勻速循環流動，根據已知（zhī）的介質粘度與溫度的對應關係表，選擇要測試的介質粘度所對應的溫度，然後開始對介質加熱，使裝置（zhì）內的介質達到設定的溫度及其對應的粘度。實驗開始後，實驗員在上位機電腦上（shàng）點擊實驗開始（shǐ），換向閥立即動作，流過植（zhí）物油管道流量計的（de）流（liú）體會全部（bù）引入到標準秤（chèng）中，與此同時電腦開始計時並采集渦輪流量傳感器的輸出脈衝數，經過一分鍾後停止，標準（zhǔn）秤會自動上傳流體累積質量至上位（wèi）機，上位機通過該介質溫度密度對應表再計算出體積，再通過體積除以脈衝總個（gè）數得到儀表係數。在實（shí）驗過程中，係統計算機中的程序會記錄（lù）單次實驗持續的實驗（yàn）時間、累積總脈衝數、累積質（zhì）量流量、瞬時流量、流體當（dāng）前溫度下的密度（dù）、流體溫度等（děng）信息。
3實驗方案
實驗采用口徑（jìng）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（háng），實驗流量範圍（wéi）為0.3m3/h到1.5m3/h。
實驗中每個（gè）流量點均（jun1）進行3次測量（liàng），（j=1，2，3），3次測量（liàng）的平均儀表（biǎo）係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點（diǎn）儀表（biǎo）係數*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標（biāo）植物油管道流量計檢定規程，累積流量的相對示值誤差為（wéi）：
4實驗數據和結果
實驗測（cè）得在流體介質的粘度（dù）為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個實（shí）驗流量點的儀（yí）表係數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合（hé），Origin為（wéi）OriginLab公司出品的較流（liú）行的專業函數繪圖軟件，是公認的簡單易學（xué）、操作靈活（huó）、功能強大的軟件（jiàn），既可（kě）以滿足一般用戶（hù）的製（zhì）圖需要，也（yě）可以滿足高級用戶數據分析、函數擬合的需要。
使（shǐ）用Origin軟件中的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如下函數，其中流（liú）速為（wéi）自變量X，儀表係數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表係數（shù）的擬合曲線圖。
表2為（wéi）各對應流（liú）量點的（de）擬（nǐ）合後儀表係數的誤差。
如果直接采用各個流量（liàng）點的儀表係數取平均（jun1）值得儀表係數為1610.68，表3為未采用擬合修（xiū）正公式流（liú）量點對應儀表係數誤差。
為證明該高粘度變流（liú）速自適（shì）應算法及公式的有（yǒu）效性（xìng），重新選（xuǎn）取四個流（liú）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（diǎn）的擬合後儀表係數的誤差。
實驗結果表明（míng），經過這種高粘度（dù）變（biàn）流速（sù）自適應算法修正後，儀（yí）表係（xì）數精度提高到0.83%。如果隻是簡單將（jiāng）儀表係數取平均（jun1），*大誤差將達到4.4%。而且從修正後（hòu）儀表係數誤差值與未經過修正儀表係數誤差值相比，基本各個流（liú）量（liàng）點精（jīng）度都有較大的（de）提升。
5結論
本（běn）文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質時的（de）儀表係數變化規律進行了研究，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流速範圍內進行實驗（yàn），並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（gòu）將儀表係數精度由4.4%提高到0.83%，並對此進行了驗證，結果證明此算（suàn）法確實能夠大幅提高植物（wù）油管道流量計的測量精度（dù）。
植物油管道流（liú）量計在流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用於工業油品測量，民用自來水測量以及科學計量。渦輪流量傳感器屬於速度式流量計，它的工作原理是利用流體流動時產生的（de）推力使植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定（dìng）轉速後，流體流過的體積流量和渦輪的轉速成正比，以此（cǐ）來計算（suàn）被測流體的體（tǐ）積流量。一般的，我們把（bǎ）植物油管道流量計單位時間內輸出的脈衝個數與實際流過（guò）流量的比值稱為植物油管道（dào）流量計的儀表係數。渦輪流（liú）量傳感器需要在投入使用前（qián），在標準計量裝置上進行標定，即通過實驗計算出該（gāi）渦輪流量傳感器的儀表係數。由此可見（jiàn），渦輪流（liú）量傳感器的儀表係數精確度直接影響著*終流量（liàng）數（shù）據測算的精確（què）度。
但是，經過（guò）國內外科研人員的大量實驗證（zhèng）明，被測流體介質的粘度對植物（wù）油管道流量計測量時的儀表係數有（yǒu）著很大的影響，當（dāng）被測介質為水或者低粘度介質且（qiě）流量高於0.5L/s時，植物油管道流量（liàng）計儀表係（xì）數基本保持（chí）恒定，但當被測介質粘度（dù）升高，儀表係數會一直（zhí）隨著粘度的增加而增加，尤其是當介（jiè）質粘度高於50cSt時（shí），其線性範圍（wéi）完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘度（dù）油品介質時，很難保證介質流速恒定，一（yī）旦出現流量波動，植物油管道流量計就會產生較大誤差。所（suǒ）以，對植物（wù）油管道流量計（jì）在高粘度介質（zhì）測量時不同流速下的儀表係數進行分析有非常重要的意義。
1實驗裝置
為研（yán）究植物油管道流量計在高粘度介（jiè）質測量時不同流速下儀表係數的變化（huà）規律，使用（yòng）中航工業（yè）4113計量站可變粘度標（biāo）準裝置進行實驗（yàn），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（néng），正常（cháng）使用溫度範（fàn）圍為-40℃～200℃，短期可達220℃。管道內（nèi）潤滑油的流量大小由變頻油泵控製，變頻輸出（chū）電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它（tā）的主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加（jiā）熱係統，可以對航空（kōng）潤（rùn）滑油進行（háng）加熱，以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控製使用可編程（chéng）邏輯（jí）控製器（qì），內置PID算法，由油箱中的（de）溫度傳感器、油（yóu）箱中的加熱器以及控製器構成閉合溫度控製回（huí）路，保證油品（pǐn）介質在管道內高（gāo）速循環流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量範圍（wéi）是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度範圍是-30℃~155℃，油溫控製的精度為±5%，標準（zhǔn）秤的測量精度為0.02%，裝置不（bú）確定度為0.05%。裝置結構原理圖如圖1所（suǒ）示。
2實驗原理
該裝置的（de）測量原（yuán）理是（shì）靜態稱重（chóng）法，即在固定的時間（jiān）內，使用電（diàn）腦采集植物油管道流量計輸出脈衝個數，同時（shí）將流過的流體（tǐ）全（quán）部引（yǐn）入到標準秤中稱重（chóng），除（chú）以對應密度來計算流過的真實體積流（liú）量，*終再用累積體積（jī）流量除以總脈衝個數計算出植物油管道流量計（jì）的儀表係數。
實驗開始前*先開（kāi）啟油泵，使潤（rùn）滑油在（zài）管道內勻速循環流動，根據已知（zhī）的介質粘度與溫度的對應關係表，選擇要測試的介質粘度所對應的溫度，然後開始對介質加熱，使裝置（zhì）內的介質達到設定的溫度及其對應的粘度。實驗開始後，實驗員在上位機電腦上（shàng）點擊實驗開始（shǐ），換向閥立即動作，流過植（zhí）物油管道流量計的（de）流（liú）體會全部（bù）引入到標準秤（chèng）中，與此同時電腦開始計時並采集渦輪流量傳感器的輸出脈衝數，經過一分鍾後停止，標準（zhǔn）秤會自動上傳流體累積質量至上位（wèi）機，上位機通過該介質溫度密度對應表再計算出體積，再通過體積除以脈衝總個（gè）數得到儀表係數。在實（shí）驗過程中，係統計算機中的程序會記錄（lù）單次實驗持續的實驗（yàn）時間、累積總脈衝數、累積質（zhì）量流量、瞬時流量、流體當（dāng）前溫度下的密度（dù）、流體溫度等（děng）信息。
3實驗方案
實驗采用口徑（jìng）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（háng），實驗流量範圍（wéi）為0.3m3/h到1.5m3/h。
實驗中每個（gè）流量點均（jun1）進行3次測量（liàng），（j=1，2，3），3次測量（liàng）的平均儀表（biǎo）係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點（diǎn）儀表（biǎo）係數*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標（biāo）植物油管道流量計檢定規程，累積流量的相對示值誤差為（wéi）：
4實驗數據和結果
實驗測（cè）得在流體介質的粘度（dù）為43.49cSt條件下，DN10口徑的渦輪流量傳感器在各個實（shí）驗流量點的儀（yí）表係數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合（hé），Origin為（wéi）OriginLab公司出品的較流（liú）行的專業函數繪圖軟件，是公認的簡單易學（xué）、操作靈活（huó）、功能強大的軟件（jiàn），既可（kě）以滿足一般用戶（hù）的製（zhì）圖需要，也（yě）可以滿足高級用戶數據分析、函數擬合的需要。
使（shǐ）用Origin軟件中的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如下函數，其中流（liú）速為（wéi）自變量X，儀表係數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表係數（shù）的擬合曲線圖。
表2為（wéi）各對應流（liú）量點的（de）擬（nǐ）合後儀表係數的誤差。
如果直接采用各個流量（liàng）點的儀表係數取平均（jun1）值得儀表係數為1610.68，表3為未采用擬合修（xiū）正公式流（liú）量點對應儀表係數誤差。
為證明該高粘度變流（liú）速自適（shì）應算法及公式的有（yǒu）效性（xìng），重新選（xuǎn）取四個流（liú）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（diǎn）的擬合後儀表係數的誤差。
實驗結果表明（míng），經過這種高粘度（dù）變（biàn）流速（sù）自適應算法修正後，儀（yí）表係（xì）數精度提高到0.83%。如果隻是簡單將（jiāng）儀表係數取平均（jun1），*大誤差將達到4.4%。而且從修正後（hòu）儀表係數誤差值與未經過修正儀表係數誤差值相比，基本各個流（liú）量（liàng）點精（jīng）度都有較大的（de）提升。
5結論
本（běn）文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質時的（de）儀表係數變化規律進行了研究，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流速範圍內進行實驗（yàn），並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（gòu）將儀表係數精度由4.4%提高到0.83%，並對此進行了驗證，結果證明此算（suàn）法確實能夠大幅提高植物（wù）油管道流量計的測量精度（dù）。