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關（guān）於食用油流量計高粘度變流速自適應研究
點擊次（cì）數：2020 發布時間：2021-01-19 14:43:22
摘要：食用油流量計是一種精密流量測量儀表，與相應的流量積算儀表配套可用於測量液體的流量（liàng）和（hé）總量。與定量控製儀配套使用，可（kě）以對液體（tǐ）加料進行高精度定量控製。廣泛用於石油、化工、冶金、科研等領域的計量。控製係統（tǒng）。配備有衛生（shēng）接頭的渦輪（lún）流量傳感器可以應用於製藥行業：渦輪流量計還可與控（kòng）製室中的二次儀表相連，實現積算、傳輸、通訊和（hé）控製功能。
食用油流量計在流量測量（liàng）領域有著非常廣泛的應用，可以用於工業油（yóu）品測量，民（mín）用自來（lái）水測量以及科學計（jì）量。渦輪流量傳感器屬（shǔ）於速（sù）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（shǐ）食用油流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定轉速後，流體流過的體（tǐ）積（jī）流量和渦輪的轉速成正比，以此來（lái）計算被測流（liú）體的體積流量。一（yī）般的，我們把（bǎ）食用油流量計單（dān）位時間內輸出（chū）的脈衝個數與實際流過流量（liàng）的比值稱為食用油流量計的儀表係（xì）數。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置（zhì）上進行標定，即通過實驗計算出該渦輪流（liú）量傳感器的儀表係數（shù）。由（yóu）此可見，渦輪流量傳（chuán）感器的儀表係數（shù）精確度直接影響著*終流量數據測算的精確度。
但是，經（jīng）過國內外科研（yán）人員的大量實驗證明，被測流體介質的粘度對食用油流量計測量（liàng）時的儀表係數有著很大的影響（xiǎng），當被測介質為水或者低粘度介質且流量高於0.5L/s時，食用油流量計儀表係數基本保持（chí）恒（héng）定，但當被測介質粘度升高，儀表係數會一直隨著粘度的增加而增加，尤（yóu）其是當介質粘度高於50cSt時，其線性範圍完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘（zhān）度油品介（jiè）質時，很難保證介質流速恒定，一旦出現流量波動，食用（yòng）油流量計就會產生較大（dà）誤差。所（suǒ）以，對食用油流量計在高粘度介質測量時不同流速下的儀表係數進行分（fèn）析有（yǒu）非常重要的意義。
1實驗裝置
為研究食用（yòng）油流量計在高（gāo）粘度介質測量（liàng）時不同流速下儀表（biǎo）係數的變化規律，使用中航工業4113計量站可變粘度標準裝（zhuāng）置進行（háng）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，正常使用溫度範圍為-40℃～200℃，短期可達220℃。管道內潤（rùn）滑油的流量大（dà）小由變頻油泵控製（zhì），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（de）主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加熱係統，可以對航空潤滑（huá）油進行加熱，以此來改變被（bèi）測介質的粘度。對溫度的控製使用（yòng）可編（biān）程邏輯（jí）控製器，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製器構成（chéng）閉合溫度控製回路，保證油品介質在管道內高速循環流動的同時溫度誤差不超過（guò）±1℃。該（gāi）裝置可測流量範圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度範圍（wéi）是-30℃~155℃，油溫控製的精度為±5%，標準秤的（de）測量精度為0.02%，裝置（zhì）不確定度為0.05%。裝置結構原理圖（tú）如圖1所示。
2實驗原理
該裝置的測量原理是靜態稱重法，即在固定的時間內，使用電腦采集食用油流量計輸出脈衝個數，同時（shí）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，*終再用（yòng）累積體積流（liú）量除以總脈衝個數計（jì）算出食用油流量計的儀表係數（shù）。
實驗開始前（qián）*先開啟油泵，使潤滑油（yóu）在管道內勻速循環流動，根據（jù）已知的介質粘（zhān）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（hòu）開始對介質加熱（rè），使裝（zhuāng）置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（diàn）腦上點擊實驗開始，換向閥立即動作，流過食用油流量計的流（liú）體會全部引入到標準秤中，與此同時電腦開始計時並采集渦輪流量傳感（gǎn）器的輸出脈衝數，經過一分鍾（zhōng）後停止（zhǐ），標準秤會自動上傳流體（tǐ）累積質量至上位機，上位（wèi）機通過該介質溫度密度對應（yīng）表（biǎo）再計算出體積，再通過體積除以脈衝（chōng）總個（gè）數得到儀表係數。在實驗過程中，係（xì）統計算機中的程序（xù）會記錄單次實驗持續的實驗時間（jiān）、累積總脈衝數、累積質量流量、瞬時流量（liàng）、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
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（zhì）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，實驗流量範圍為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次測量的平均儀表係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀（yí）表係（xì）數*小值與*大值的平（píng）均值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標食用油流量計檢（jiǎn）定規程，累（lèi）積流（liú）量的相對示值誤差為：
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（gè）實驗流量點的儀（yí）表係數Ki如表1所示。
使（shǐ）用（yòng）函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公（gōng）司（sī）出品的較流行的專（zhuān）業函數繪圖軟件（jiàn），是公（gōng）認的簡單易學、操作（zuò）靈活、功能強大的軟件（jiàn），既可以滿（mǎn）足一般用戶的製圖需（xū）要，也可以滿足高級用戶（hù）數據分析、函數（shù）擬（nǐ）合的需要。
使用Origin軟件中的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如（rú）下函數（shù），其中流速為自變量X，儀表係數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表係數的（de）擬合曲線圖。
表2為各對應流量（liàng）點的擬合後儀表係數的誤差。
如果（guǒ）直接采用各個流量點的儀表係（xì）數取平均值得（dé）儀表（biǎo）係數為1610.68，表3為（wéi）未采用擬（nǐ）合修正公式流量點對應儀表係數誤差。
為（wéi）證明該高（gāo）粘（zhān）度變流速自適（shì）應算法及公式的有效性，重新選取四個流量點（diǎn）：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（zhèng），得到表4數據，表5為各對應流量點的擬（nǐ）合後儀表係（xì）數的誤差。
實驗結果表明，經過這種高粘度變流速自（zì）適應（yīng）算法修正後，儀表係數精（jīng）度提高到0.83%。如果隻是簡單將儀表係數（shù）取平均，*大誤差將達到4.4%。而且從修正後儀表係數誤差值與（yǔ）未經過修（xiū）正儀表係數誤（wù）差值相比，基本各個流量點精度都有較大的提升。
5結論（lùn）
本文對高粘度下食用油流量計在測量變流速（sù）流體介質時的儀表係數變化規律進（jìn）行了研究，在43.49cSt粘度條件下，使（shǐ）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，並提出一（yī）種高粘度變流速自適應算法，該高粘度變流（liú）速算法能（néng）夠將（jiāng）儀表係數（shù）精度由4.4%提高到0.83%，並對此進行了驗證，結果證明此算法確實能夠大幅提高食用油流量計的（de）測量精度。
食用油流量計在流量測量（liàng）領域有著非常廣泛的應用，可以用於工業油（yóu）品測量，民（mín）用自來（lái）水測量以及科學計（jì）量。渦輪流量傳感器屬（shǔ）於速（sù）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（shǐ）食用油流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定轉速後，流體流過的體（tǐ）積（jī）流量和渦輪的轉速成正比，以此來（lái）計算被測流（liú）體的體積流量。一（yī）般的，我們把（bǎ）食用油流量計單（dān）位時間內輸出（chū）的脈衝個數與實際流過流量（liàng）的比值稱為食用油流量計的儀表係（xì）數。渦輪流量傳感器需要在投入使用前，在標準計量裝置（zhì）上進行標定，即通過實驗計算出該渦輪流（liú）量傳感器的儀表係數（shù）。由（yóu）此可見，渦輪流量傳（chuán）感器的儀表係數（shù）精確度直接影響著*終流量數據測算的精確度。
但是，經（jīng）過國內外科研（yán）人員的大量實驗證明，被測流體介質的粘度對食用油流量計測量（liàng）時的儀表係數有著很大的影響（xiǎng），當被測介質為水或者低粘度介質且流量高於0.5L/s時，食用油流量計儀表係數基本保持（chí）恒（héng）定，但當被測介質粘度升高，儀表係數會一直隨著粘度的增加而增加，尤（yóu）其是當介質粘度高於50cSt時，其線性範圍完全消失。在實際的流量測量過程當中，測量高粘（zhān）度油品介（jiè）質時，很難保證介質流速恒定，一旦出現流量波動，食用（yòng）油流量計就會產生較大（dà）誤差。所（suǒ）以，對食用油流量計在高粘度介質測量時不同流速下的儀表係數進行分（fèn）析有（yǒu）非常重要的意義。
1實驗裝置
為研究食用（yòng）油流量計在高（gāo）粘度介質測量（liàng）時不同流速下儀表（biǎo）係數的變化規律，使用中航工業4113計量站可變粘度標準裝（zhuāng）置進行（háng）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，正常使用溫度範圍為-40℃～200℃，短期可達220℃。管道內潤（rùn）滑油的流量大（dà）小由變頻油泵控製（zhì），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（de）主電路采用交-直-交電路。在油箱儲罐中內置加熱係統，可以對航空潤滑（huá）油進行加熱，以此來改變被（bèi）測介質的粘度。對溫度的控製使用（yòng）可編（biān）程邏輯（jí）控製器，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製器構成（chéng）閉合溫度控製回路，保證油品介質在管道內高速循環流動的同時溫度誤差不超過（guò）±1℃。該（gāi）裝置可測流量範圍是0.5m3/h~70m3/h，可變溫度範圍（wéi）是-30℃~155℃，油溫控製的精度為±5%，標準秤的（de）測量精度為0.02%，裝置（zhì）不確定度為0.05%。裝置結構原理圖（tú）如圖1所示。
2實驗原理
該裝置的測量原理是靜態稱重法，即在固定的時間內，使用電腦采集食用油流量計輸出脈衝個數，同時（shí）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，*終再用（yòng）累積體積流（liú）量除以總脈衝個數計（jì）算出食用油流量計的儀表係數（shù）。
實驗開始前（qián）*先開啟油泵，使潤滑油（yóu）在管道內勻速循環流動，根據（jù）已知的介質粘（zhān）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（hòu）開始對介質加熱（rè），使裝（zhuāng）置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（diàn）腦上點擊實驗開始，換向閥立即動作，流過食用油流量計的流（liú）體會全部引入到標準秤中，與此同時電腦開始計時並采集渦輪流量傳感（gǎn）器的輸出脈衝數，經過一分鍾（zhōng）後停止（zhǐ），標準秤會自動上傳流體（tǐ）累積質量至上位機，上位（wèi）機通過該介質溫度密度對應（yīng）表（biǎo）再計算出體積，再通過體積除以脈衝（chōng）總個（gè）數得到儀表係數。在實驗過程中，係（xì）統計算機中的程序（xù）會記錄單次實驗持續的實驗時間（jiān）、累積總脈衝數、累積質量流量、瞬時流量（liàng）、流體當前溫度下的密度、流體溫度等信息。
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（zhì）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，實驗流量範圍為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次測量的平均儀表係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀（yí）表係（xì）數*小值與*大值的平（píng）均值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標食用油流量計檢（jiǎn）定規程，累（lèi）積流（liú）量的相對示值誤差為：
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（gè）實驗流量點的儀（yí）表係數Ki如表1所示。
使（shǐ）用（yòng）函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公（gōng）司（sī）出品的較流行的專（zhuān）業函數繪圖軟件（jiàn），是公（gōng）認的簡單易學、操作（zuò）靈活、功能強大的軟件（jiàn），既可以滿（mǎn）足一般用戶的製圖需（xū）要，也可以滿足高級用戶（hù）數據分析、函數（shù）擬（nǐ）合的需要。
使用Origin軟件中的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘法，得到如（rú）下函數（shù），其中流速為自變量X，儀表係數為因變量Y：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
圖4為流量與儀表係數的（de）擬合曲線圖。
表2為各對應流量（liàng）點的擬合後儀表係數的誤差。
如果（guǒ）直接采用各個流量點的儀表係（xì）數取平均值得（dé）儀表（biǎo）係數為1610.68，表3為（wéi）未采用擬（nǐ）合修正公式流量點對應儀表係數誤差。
為（wéi）證明該高（gāo）粘（zhān）度變流速自適（shì）應算法及公式的有效性，重新選取四個流量點（diǎn）：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（zhèng），得到表4數據，表5為各對應流量點的擬（nǐ）合後儀表係（xì）數的誤差。
實驗結果表明，經過這種高粘度變流速自（zì）適應（yīng）算法修正後，儀表係數精（jīng）度提高到0.83%。如果隻是簡單將儀表係數（shù）取平均，*大誤差將達到4.4%。而且從修正後儀表係數誤差值與（yǔ）未經過修（xiū）正儀表係數誤（wù）差值相比，基本各個流量點精度都有較大的提升。
5結論（lùn）
本文對高粘度下食用油流量計在測量變流速（sù）流體介質時的儀表係數變化規律進（jìn）行了研究，在43.49cSt粘度條件下，使（shǐ）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，並提出一（yī）種高粘度變流速自適應算法，該高粘度變流（liú）速算法能（néng）夠將（jiāng）儀表係數（shù）精度由4.4%提高到0.83%，並對此進行了驗證，結果證明此算法確實能夠大幅提高食用油流量計的（de）測量精度。
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