植物油管道流量計高粘度變流速自適應研究
點擊次數：2381 發布時間：2021-01-19 14:57:12
摘要：植物油管道流量計應用十分廣泛，但是當被測介質運動粘度較高時，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，其變化規律呈現非線性。本文研究了口徑為DN10的植物油管道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，擬合出了高粘度植物油管道流量計流速修正算法，運用該算法，可以將植物油管道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。
植物油管道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植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定轉速后，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。一般的，我們把植物油管道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植物油管道流量計的儀表系數。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*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植物油管道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，植物油管道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，植物油管道流量計就會產生較大誤差。所以，對植物油管道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
為研究植物油管道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律，使用中航工業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流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/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稱重法，即在固定的時間內，使用電腦采集植物油管道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，*終再用累積體積流量除以總脈沖個數計算出植物油管道流量計的儀表系數。
實驗開始前*先開啟油泵，使潤滑油在管道內勻速循環流動，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，流過植物油管道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。
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*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數。
依照國標植物油管道流量計檢定規程，累積流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實驗流量點的儀表系數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業函數繪圖軟件，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，也可以滿足高級用戶數據分析、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*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：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
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。
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。
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，*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
本文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質時的儀表系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植物油管道流量計的測量精度。
植物油管道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植物油管道流量計渦輪葉片轉動，渦輪穩定轉速后，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。一般的，我們把植物油管道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植物油管道流量計的儀表系數。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*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植物油管道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，植物油管道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，植物油管道流量計就會產生較大誤差。所以，對植物油管道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
為研究植物油管道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律，使用中航工業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流動的同時溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量范圍是0.5m3/h~70m3/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稱重法，即在固定的時間內，使用電腦采集植物油管道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，*終再用累積體積流量除以總脈沖個數計算出植物油管道流量計的儀表系數。
實驗開始前*先開啟油泵，使潤滑油在管道內勻速循環流動，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，流過植物油管道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。
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*小值與*大值的平均值，作為傳感器的儀表系數。
依照國標植物油管道流量計檢定規程，累積流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實驗流量點的儀表系數Ki如表1所示。
使用函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業函數繪圖軟件，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，也可以滿足高級用戶數據分析、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*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：
Y=1486.9+86.9X+426.49X2-517.4X3+157.9X4
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。
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。
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，*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
本文對高粘度下植物油管道流量計在測量變流速流體介質時的儀表系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植物油管道流量計的測量精度。