新型智能差压式流量计的设计
新型智能差压式流量计的设计
流量、温度、压力仪表并称为三大仪表。流量热能动力领域的一个重要参数, 目前广泛使用的仍是涡轮流量计、转子流量计、孔板流量计、毕托管流量计等。综观其采用的流量测量方法, 因对管内流体流态、截面来流速度的分布及管壁边界层的形成等流场机理研究不够, 或分析不*的缘故, 致使测量误差偏大、准确度欠佳。本文在分析管内流体流动的基础上, 构思出另一种较为理想的差压式流体流量测试方法, 在此基础上重新设计差压式流量计。由于仪表的准确度是仪表设计的核心, 本文详细分析了新型差压流量计的误差成因, 并得出修正方法, 提高了仪表的准确度。同时, 还设计了基于单片机的智能化流量测量变送、积算修正、显示及远程传输系统。
新差压流量计的误差分析与修正
根据所设计的差压流量计, 其误差来源可分为随机误差和系统误差。随机误差有安装偏斜误差; 电压波动误差; 流体密度..测量误差; 压差测量误差等。这些误差可通过多次重复测量来消除。系统误差有沿程损失误差; 探头管柄堵塞引起的误差; 压力测量误差; 紊流引起的原误差等。要提高所设计仪表的准确度, 必须分析各误差的形成来加以修正。
沿程压力损失误差与修正
伯努利方程是无粘流体条件下得到的理想状态方程, 而实际流体都有粘性, 存在压力损失。在图1 中, 由管1 到管2 之间的压力损失p = .. ld .. .... u2 2 , 式中.. ..为沿程阻力系数; l 为管1, 管2 之间流体管段长度, m; d 为管内径, m。关系式: ..p 测= ..p 实+ p , 式中.. ..p 测为管1, 管2 点之间测量压差, Pa; ..p 实为管1, 管2 点之间真实压差, Pa。可见, 为了减少压力损失p , 降低误差, 应尽量缩短测量管1, 管2 点之间的距离。误差修正时, 应以测量压差..p 测减去沿程压力损失p , 得到实际压差..p 实; 当流速在某一范围内变化时, p 值变化不大, 可以通过实验测定。
探头管柄堵塞引起的误差与修正
在管道中插入探头, 使得流体流过截面面积减小, 由此引起的效应是流速增加, 测量压差增大, 引起的误差需要修正。
压力测量误差与修正
由于制造装置误差, 探头所测的压力与真实压力之间由一定偏差, 可利用校正系数.. 来修正。
紊流修正
在紊流流动中, 其脉冲速度直接影响系统测量总压、静压, 定性分析如下。设u , v , w 分别为测量探头轴向、切向、径向的紊流脉动流速, .. u2, .. v2, ..w 2 分别为它们的均方值, 此时探头总能为p 总+ ..2 v 2总+ ..2 (.. u2 + .. v2 + w..2) . 对下游静压, 轴向速度分量u 不起作用, 但切向、径向分量却被静压吸收。静压总能为p 静+ ks ..(.. v2 + ..w 2) , 式中.. ks 为任一修正静压孔处的脉动流速与总压管处脉动流速的差异。这样, 测量压差为....= ..2 v 2总+ ..2 (.. u2 + .. v2 + w..2) - ks ..(.. v2 + ..w 2) . 因此, 脉动流速均方值影响了系统的测试结果。通过上面对整个流量计的误差分析和修正方法, 采用实验方法得到各修正系数, 在单片机上予以实现。
智能差压流量计系统的设计
根据式( 11) 的方程, 本文利用单片机对流量进行计算和误差修正, 并就地显示; 同时还设计了数字远程通信接口, 将流量以数据储存、以图表显示打印。整个流量计由一次仪表、二次仪表构成, 见图1。一次仪表包括带管式的针式探头、压力传感器、压差传感器; 二次仪表由压力变速器、压差变速器和基于单片机的流量积算修正仪及脉冲数字显示仪构成。在流量计中, 总压管1 与静压管2 取得的压力通过压差传感器转变成12mV 的标准电信号, 信号经转换处理, 在流量积算仪中按式( 11) 运算后, 得到被测流量Q, 直接显示出来。压力修正系数..、管道内直径d 作为已知量置于计算程序中; 流体密度..、流体系数k 由具体测量项目定下后输入计算程序中。单片机选用新型的Philips 系列P87LPC64 单片机, 内部具有I2C 总线接口, 编程简单, 方便与PC 机通信。
试验结果
用准确度为0. 1 级的水流标准装置对流量计进行实流校验。给出测量不确定度报告。
