李巧真，黃國元，房朝暉，白瑞峰

(1. 天津大學(xué)自動化學(xué)院 天津300072；2. 天津大學(xué)新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理辦公室 天津300072)

基于計算機(jī)的金屬管浮子流量計檢定實(shí)驗(yàn)研究

李巧真1，黃國元2，房朝暉1，白瑞峰1

(1. 天津大學(xué)自動化學(xué)院 天津300072；2. 天津大學(xué)新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理辦公室 天津300072)

基于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機(jī)控制系統(tǒng)，研究開發(fā)金屬管浮子流量計的性能測試與檢定實(shí)驗(yàn)。硬件采用數(shù)字量采集卡7505、脈沖量采集卡7606，對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上各種信號進(jìn)行控制，并實(shí)時采集測試、檢定數(shù)據(jù)。通過軟件編程，對測試、檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)者運(yùn)用所學(xué)流體力學(xué)、檢測技術(shù)、誤差理論等方面的知識，對金屬管浮子流量計進(jìn)行性能測試、檢定、誤差計算；并通過實(shí)驗(yàn)掌握三次曲線擬合在浮子流量計非線性特性處理上的應(yīng)用。

計算機(jī) 浮子流量計 標(biāo)準(zhǔn)裝置 檢定

流量的精確測量與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著密切關(guān)系，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著非常重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對完成流量測量的流量計提出了更高的要求。因此，本實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)了基于計算機(jī)的金屬管浮子流量計檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對金屬管浮子流量計的性能測試和檢定，達(dá)到了金屬管浮子流量計在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確定位的目的。[1]

1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機(jī)控制系統(tǒng)[2]由計算機(jī)、高位水塔、流量實(shí)驗(yàn)裝置、被檢表(金屬管浮子流量計)等組成。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Computer control system for water flow standard device

通觀整個控制系統(tǒng)，得知：

計算機(jī)通過數(shù)字量采集卡7505完成電磁閥的開/關(guān)信號、換向器的開/關(guān)信號及底閥的開/關(guān)信號控制，標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖信號通過7606采集卡采入計算，電子秤讀數(shù)信號通過RS232串行通訊接口與計算機(jī)進(jìn)行通訊。[3]通過軟件編程，[4-5]對檢定測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、線性擬合等。

高位水塔起穩(wěn)定水頭作用，保證整個實(shí)驗(yàn)過程的流量穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)在實(shí)驗(yàn)管路中，根據(jù)流體流動連續(xù)性原理，在定常流動下，流過它們的流量是相等的。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼調(diào)校電子秤可使其精度比標(biāo)準(zhǔn)表精度高出3倍，因此用稱重法檢定標(biāo)準(zhǔn)表，然后再用標(biāo)準(zhǔn)表檢定被校表。用稱重法檢定儀表朔源性好，但工作效率低，故一般實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行，并定期對標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢定。[6]

2 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法—稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.2 Liquid flow standard device using standard meter method-weighing method

工作過程：用水泵將水池中的水打入水塔，在整個實(shí)驗(yàn)過程中使水塔處于溢流狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的壓頭不變。待水流穩(wěn)定后，打開截止閥，水通過標(biāo)準(zhǔn)表、上游直管段、被檢流量計、下游直管段、夾表器、調(diào)節(jié)閥、換向器，流出實(shí)驗(yàn)管路。

3 金屬管浮子流量計檢定實(shí)驗(yàn)研究

浮子流量傳感器又稱轉(zhuǎn)子流量傳感器。[7]本實(shí)驗(yàn)室用到的被檢定浮子流量計是金屬管浮子流量計，而金屬管浮子流量計的檢定實(shí)驗(yàn)是流量檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，也是本控制系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)。

金屬管浮子流量計引入計算機(jī)技術(shù)取代凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計算，將流量信號通過傳感器、轉(zhuǎn)換器由數(shù)字液晶顯示出來，并通過鍵盤置入密度、溫度、壓力等工況參數(shù)，具有智能化、高精度、使用方便、工作可靠等特點(diǎn)。

流量傳感器是將非電量的流量信號轉(zhuǎn)化為電量信號的感應(yīng)裝置，金屬管轉(zhuǎn)子流量計輸出的則是電壓信號。[8]由于其流量-電壓特性有較強(qiáng)的非線性，常用最小二乘法對其進(jìn)行三次曲線擬合。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

金屬管浮子流量計管體由錐管和浮子組成，當(dāng)流體自下而上流入錐管時，被浮子節(jié)流，當(dāng)流體作用在浮子的動壓力、浮子在流體中的浮力、浮子的重力達(dá)到平衡時，浮子就平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)某一位置上。浮子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管流量的大小一一對應(yīng)。其浮子位置高度是由角位移傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成電壓信號。因此，某一個流量點(diǎn)Q對應(yīng)一個電壓值，實(shí)驗(yàn)要求在各流量點(diǎn)下正反行程各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，將其平均值作為輸出電壓V0。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出Q～V0的關(guān)系式，再次進(jìn)行流量檢定實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證擬合公式的擬合精度。

3.2 金屬管浮子流量計性能測試

在浮子流量計的流量范圍內(nèi)選擇6～7個流量點(diǎn)(最好是均勻分布的，且由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計讀取)，調(diào)節(jié)閥門達(dá)到所要求的流量值點(diǎn)Q(瞬時流量m3/h)，測出與流量點(diǎn)Q對應(yīng)的浮子輸出電壓V(從浮子的液晶顯示上讀得)。

從小流量向大流量測量稱正行程，反之稱反行程。正反行程各3次，當(dāng)測量數(shù)據(jù)全部測量完成時，計算機(jī)自動將各流量點(diǎn)的電壓平均值V0計算出來。

3.3 擬合曲線Q～V0

圖3 檢定測試數(shù)據(jù)Fig.3 Calibration testing data

圖4 Q～V0曲線擬合Fig.4 Q～V0curve fitting

擬合公式：

3.4 金屬管浮子流量計的檢定

再次選定5～6個流量點(diǎn)進(jìn)行測試，將這些點(diǎn)的浮子流量計的輸出電壓代入擬合公式，計算出通過浮子的流量。金屬管浮子流量計的檢定計算結(jié)果如圖5所示。在圖5中，渦輪流量是指標(biāo)準(zhǔn)表流量，擬合曲線流量指將浮子電壓帶入3次擬合曲線公式后計算得到的浮子流量計的流量。

將浮子流量計的流量Q與標(biāo)準(zhǔn)表測得的流量Q0帶入計算滿度誤差[10]公式(2)，進(jìn)而求得對應(yīng)的滿度誤差E，并找出最大滿度誤差Emax。

圖5 金屬管浮子流量計的檢定結(jié)果Fig.5 Calibration result of the meal tube rotameter

計算滿度誤差：

4 結(jié) 語

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高等教育的深化改革，教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就顯得落后了。在原有的高位水塔的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改造和擴(kuò)建。除了保留稱重顯示儀以獲取電子秤的讀數(shù)，其余工作如定時、控制換向器動作、控制底閥開關(guān)、脈沖計數(shù)等都由計算機(jī)完成。實(shí)驗(yàn)中做到實(shí)時控制、實(shí)時采集數(shù)據(jù)，并及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算、處理。用一臺計算機(jī)取代了原來繁多的儀器儀表，這使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)趨于簡單，自動化程度更高，實(shí)驗(yàn)手段更加先進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程，不僅對這門課加深了理解，而且對本專業(yè)其他課加以應(yīng)用；拓寬了知識面，感受到了計算機(jī)控制系統(tǒng)在流量測量領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。同時，基于計算機(jī)的金屬管浮子流量計檢定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建成，為自動化專業(yè)以及從事流量測量方面的研究人員提供了一個良好的實(shí)驗(yàn)平臺?！?/p>

［1］ 張琳娜，劉武發(fā). 傳感檢測技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國計量出版社，1999.

［2］ 李巧真，李剛，羅翼. 水流量實(shí)驗(yàn)裝置計算機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(8)：72-75.

［3］ 吳玲達(dá). 計算機(jī)通信原理與系統(tǒng)[M]. 長沙：國防科技大學(xué)出版社，2008.

［4］ 史斌星，史佳. Visuai Basic貫通教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

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［6］ 蔡武昌. 流量測量方法與儀表的選定[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2001.

［7］ 王華祥. 自動檢測技術(shù)[M]. 天津：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［8］ 張迎新. 非電量測量技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［9］ 何麗麗. 曲線擬合最小二乘法算法設(shè)計及C++實(shí)現(xiàn)[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，13(1)：29-31.

［10］ 沙定國. 實(shí)用誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1993.

The Calibration Experiment Research on Metal Tube Rotameter Based on Computer

LI Qiaozhen1，HUANG Guoyuan2，F(xiàn)ANG Zhaohui1，BAI Ruifeng1
(1．School of Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Construction Planning and Management Office，Tianjin University New Campus，Tianjin 300072，China)

Based on the computer control system of standard set of water flow，the paper explores the performance measurement and calibration experiment of metal tube rotameter．Various signals with the system of standard set of water flow were controlled by the switch quantity acquisition module 7505 and pulse data acquisition module 7606，and test data were collected at the same time．The experiment proved that the testers have learnt to use fluid mechanics，measurement technology and error theory to carry out performance measurement，test and error calculation；the application of three curve fittings in nonlinear characteristics of the metal tube rotameter was realized.

computer；metal tube rotameter；standard set；calibration

TB633

：A

：1006-8945(2016)11-0033-03

2016-10-11