廢油流量（liàng）計在高粘度（dù）變流速自適應（yīng）研究
點擊（jī）次（cì）數：1839 發布時間：2020-11-06 07:24:41
摘要：廢油（yóu）流（liú）量計應用十分廣泛，但是當被（bèi）測介質運動粘度較高時，渦輪流（liú）量傳感器儀表係數（shù）隨（suí）著流速的增加而變化（huà），波動較大，其變化規律呈現非線性。本文研究（jiū）了口徑為DN10的廢油流量計在流體介質粘（zhān）度為43.49cSt條件下其儀表係數隨流速變化（huà）的規律，通過在可變粘度標準裝置（zhì）進行的實驗，得到實驗數（shù）據，擬合出了高粘度廢油流量計（jì）流速修（xiū）正算法，運（yùn）用該算（suàn）法，可以將廢油流量計的儀表係（xì）數精（jīng）度由4.4%提高到0.83%，並對此算法了進行實驗驗證，證明了該算（suàn）法的有效性。
廢油流量計在（zài）流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用於（yú）工業油品測量（liàng），民用自來水測量以及科（kē）學計（jì）量。渦輪流量（liàng）傳（chuán）感器屬於速度（dù）式流量計，它的（de）工作原理是利用流體流動時（shí）產生的推力使廢油流量計渦輪葉片轉動，渦輪（lún）穩定轉速後，流體流過的（de）體積流量和（hé）渦輪（lún）的轉速成正比，以此來計算被測流體的體積（jī）流量。一般的，我們把廢油流量計單位時（shí）間內輸出的脈衝個數與實際流過流量的比值稱為廢（fèi）油流量計的儀表係（xì）數。渦輪流量傳感器需要在投（tóu）入使用前，在標準計（jì）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係數。由此可見，渦輪流量（liàng）傳感器的儀表係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（de）大量實驗證明，被測流體（tǐ）介質的粘度（dù）對廢油流量計測量時的儀表係數有著很（hěn）大（dà）的影響，當（dāng）被測介質為水或者低粘度介質（zhì）且流量（liàng）高於0.5L/s時，廢油流量計儀表係數基本保（bǎo）持恒定，但當被測介質粘度升高，儀表係數（shù）會一直隨著（zhe）粘度的增加而增加，尤其是當介質粘度高於50cSt時，其線（xiàn）性範圍（wéi）完全消失。在實際的流量（liàng）測量過（guò）程當中，測量高粘度油品介質時，很難保證（zhèng）介質流速（sù）恒定，一旦出現流量波動（dòng），廢油流量計就會產（chǎn）生較大誤差。所以，對廢（fèi）油流量計在高（gāo）粘度介質測（cè）量時不同流速下的儀表係數進行（háng）分析有非常重要的意（yì）義。
1實驗（yàn）裝置（zhì）
為研（yán）究廢油流（liú）量計在高粘度介質測量時（shí）不同流速下儀表係數的變化規律，使用中航工業4113計量（liàng）站可變粘度標準裝置進行實驗，該裝置被（bèi）測流體介質（zhì）為4050航空潤滑油，其（qí）有著很好（hǎo）的高低溫性能，正常使（shǐ）用溫度範圍為-40℃～200℃，短期可（kě）達220℃。管道內（nèi）潤滑油的流量大小由變頻油泵控製，變頻輸出電壓為380～650V，輸出功（gōng）率為（wéi）0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交-直（zhí）-交電路。在油箱儲（chǔ）罐（guàn）中內置加熱係統，可以對航空潤滑油進行加熱，以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控製（zhì）使（shǐ）用可編程邏輯控製器，內置PID算法，由油箱中（zhōng）的溫（wēn）度傳感器、油箱中的加熱器以（yǐ）及控製器構成閉合（hé）溫度控製回路，保證油品介質（zhì）在管道（dào）內高速循環流動的同時（shí）溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量範圍是（shì）0.5m3/h~70m3/h，可變（biàn）溫度範圍是-30℃~155℃，油溫控製的精（jīng）度為±5%，標準（zhǔn）秤的測（cè）量精度為0.02%，裝置不（bú）確定度（dù）為0.05%。裝置結構原理圖如圖（tú）1所示。
2實驗原理
該裝置（zhì）的測量原理是靜態稱重法，即在固定（dìng）的時間內，使用電（diàn）腦采集廢油流量計輸出脈衝個數（shù），同時（shí）將流過的流體全（quán）部引入到標準秤（chèng）中稱（chēng）重，除以對應密度來（lái）計算流過的真（zhēn）實體積流量，*終再（zài）用累積體積流量除以總脈衝個數計算出廢油流量計的儀表係數。
實驗開始前*先開啟油泵，使潤滑（huá）油在管道內勻速循環流動，根據已知的介質（zhì）粘度與溫度的對應關（guān）係表，選擇要測試的介質粘度所對（duì）應的溫度，然後開始對介質加熱，使裝置內的介質達到設定的溫度及（jí）其對應的粘度。實驗開始後，實驗員在上（shàng）位機（jī）電腦上點擊實驗開始，換向閥（fá）立即動作，流過廢油流量計的流體會全部引入到標準秤中，與（yǔ）此（cǐ）同時電腦開始計時並（bìng）采集（jí）渦輪流量傳感器的輸出脈衝數，經過一分鍾後停止，標準秤會自動上傳流體累積質量至上位機，上位機（jī）通過該介質溫度密度對應（yīng）表再計算出體積，再通過體積除以脈衝總個數得到儀表係數。在實驗過程中，係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（mò）衝數、累積質量流量、瞬時流量、流體當前溫度（dù）下的（de）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（chuán）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（xuǎn）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（gè）流量點均進行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平（píng）均儀表（biǎo）係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀表係數*小值與*大值的平均（jun1）值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標廢油流量計檢定（dìng）規程，累積流量的相對示值誤（wù）差為：
4實驗（yàn）數據和結果（guǒ）
實驗測得（dé）在流體介（jiè）質的（de）粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的（de）渦輪流量傳感器在各個實驗（yàn）流量點的儀表係數Ki如表1所示。
使用（yòng）函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公司（sī）出品的較流（liú）行的專業函數繪（huì）圖軟件，是公認的簡單易學、操（cāo）作靈活、功能強（qiáng）大的軟件（jiàn），既可以滿（mǎn）足一般用戶的製圖需要（yào），也（yě）可以滿足高級用戶數據分析、函（hán）數擬合的需要。
使用Origin軟件中（zhōng）的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘（chéng）法，得到如下（xià）函數，其中流速為自（zì）變量X，儀表係數（shù）為（wéi）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（qǔ）線圖。
表2為（wéi）各對應（yīng）流量點的擬合後儀表係（xì）數（shù）的誤差。
如果直接（jiē）采用各（gè）個流量點的儀表係數取平均（jun1）值得儀表係數為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差。
為證明該高粘度變流（liú）速（sù）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（gōng）式以及算法進（jìn）行（háng）精度（dù）驗證，得到表4數據，表5為各對應流（liú）量點的擬（nǐ）合後儀表係數的誤差。
實驗結果表明，經過這種高粘度變流速自適應算（suàn）法修正後，儀表係數精度提高到0.83%。如果（guǒ）隻是簡單將儀表係數取（qǔ）平均，*大誤差將（jiāng）達到4.4%。而且從修（xiū）正後儀表係數誤（wù）差值與未經（jīng）過修正儀表係數誤差值相比，基本（běn）各個流量（liàng）點精度都有較大的提升。
5結（jié）論
本文對（duì）高粘度下廢油流量（liàng）計在測量變流速流（liú）體介質時的儀表係（xì）數變化規律進行了（le）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，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，結果證明此算法確實能夠大幅提高廢油流量計的測量精度。
廢油流量計在（zài）流量測量領域有著非常廣泛的應用，可以用於（yú）工業油品測量（liàng），民用自來水測量以及科（kē）學計（jì）量。渦輪流量（liàng）傳（chuán）感器屬於速度（dù）式流量計，它的（de）工作原理是利用流體流動時（shí）產生的推力使廢油流量計渦輪葉片轉動，渦輪（lún）穩定轉速後，流體流過的（de）體積流量和（hé）渦輪（lún）的轉速成正比，以此來計算被測流體的體積（jī）流量。一般的，我們把廢油流量計單位時（shí）間內輸出的脈衝個數與實際流過流量的比值稱為廢（fèi）油流量計的儀表係（xì）數。渦輪流量傳感器需要在投（tóu）入使用前，在標準計（jì）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係數。由此可見，渦輪流量（liàng）傳感器的儀表係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（de）大量實驗證明，被測流體（tǐ）介質的粘度（dù）對廢油流量計測量時的儀表係數有著很（hěn）大（dà）的影響，當（dāng）被測介質為水或者低粘度介質（zhì）且流量（liàng）高於0.5L/s時，廢油流量計儀表係數基本保（bǎo）持恒定，但當被測介質粘度升高，儀表係數（shù）會一直隨著（zhe）粘度的增加而增加，尤其是當介質粘度高於50cSt時，其線（xiàn）性範圍（wéi）完全消失。在實際的流量（liàng）測量過（guò）程當中，測量高粘度油品介質時，很難保證（zhèng）介質流速（sù）恒定，一旦出現流量波動（dòng），廢油流量計就會產（chǎn）生較大誤差。所以，對廢（fèi）油流量計在高（gāo）粘度介質測（cè）量時不同流速下的儀表係數進行（háng）分析有非常重要的意（yì）義。
1實驗（yàn）裝置（zhì）
為研（yán）究廢油流（liú）量計在高粘度介質測量時（shí）不同流速下儀表係數的變化規律，使用中航工業4113計量（liàng）站可變粘度標準裝置進行實驗，該裝置被（bèi）測流體介質（zhì）為4050航空潤滑油，其（qí）有著很好（hǎo）的高低溫性能，正常使（shǐ）用溫度範圍為-40℃～200℃，短期可（kě）達220℃。管道內（nèi）潤滑油的流量大小由變頻油泵控製，變頻輸出電壓為380～650V，輸出功（gōng）率為（wéi）0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交-直（zhí）-交電路。在油箱儲（chǔ）罐（guàn）中內置加熱係統，可以對航空潤滑油進行加熱，以此來改變被測介質的粘度。對溫度的控製（zhì）使（shǐ）用可編程邏輯控製器，內置PID算法，由油箱中（zhōng）的溫（wēn）度傳感器、油箱中的加熱器以（yǐ）及控製器構成閉合（hé）溫度控製回路，保證油品介質（zhì）在管道（dào）內高速循環流動的同時（shí）溫度誤差不超過±1℃。該裝置可測流量範圍是（shì）0.5m3/h~70m3/h，可變（biàn）溫度範圍是-30℃~155℃，油溫控製的精（jīng）度為±5%，標準（zhǔn）秤的測（cè）量精度為0.02%，裝置不（bú）確定度（dù）為0.05%。裝置結構原理圖如圖（tú）1所示。
2實驗原理
該裝置（zhì）的測量原理是靜態稱重法，即在固定（dìng）的時間內，使用電（diàn）腦采集廢油流量計輸出脈衝個數（shù），同時（shí）將流過的流體全（quán）部引入到標準秤（chèng）中稱（chēng）重，除以對應密度來（lái）計算流過的真（zhēn）實體積流量，*終再（zài）用累積體積流量除以總脈衝個數計算出廢油流量計的儀表係數。
實驗開始前*先開啟油泵，使潤滑（huá）油在管道內勻速循環流動，根據已知的介質（zhì）粘度與溫度的對應關（guān）係表，選擇要測試的介質粘度所對（duì）應的溫度，然後開始對介質加熱，使裝置內的介質達到設定的溫度及（jí）其對應的粘度。實驗開始後，實驗員在上（shàng）位機（jī）電腦上點擊實驗開始，換向閥（fá）立即動作，流過廢油流量計的流體會全部引入到標準秤中，與（yǔ）此（cǐ）同時電腦開始計時並（bìng）采集（jí）渦輪流量傳感器的輸出脈衝數，經過一分鍾後停止，標準秤會自動上傳流體累積質量至上位機，上位機（jī）通過該介質溫度密度對應（yīng）表再計算出體積，再通過體積除以脈衝總個數得到儀表係數。在實驗過程中，係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（mò）衝數、累積質量流量、瞬時流量、流體當前溫度（dù）下的（de）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（chuán）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（xuǎn）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（gè）流量點均進行3次測量，（j=1，2，3），3次測量的平（píng）均儀表（biǎo）係數作為此流量點的儀表係數Ki（i=1，2，3，4，5），各流量點儀表係數*小值與*大值的平均（jun1）值，作為傳感器的儀表係數。
依照國標廢油流量計檢定（dìng）規程，累積流量的相對示值誤（wù）差為：
4實驗（yàn）數據和結果（guǒ）
實驗測得（dé）在流體介（jiè）質的（de）粘度為43.49cSt條件下，DN10口徑的（de）渦輪流量傳感器在各個實驗（yàn）流量點的儀表係數Ki如表1所示。
使用（yòng）函數擬合軟件Originpro2017對所得數據進行擬合，Origin為OriginLab公司（sī）出品的較流（liú）行的專業函數繪（huì）圖軟件，是公認的簡單易學、操（cāo）作靈活、功能強（qiáng）大的軟件（jiàn），既可以滿（mǎn）足一般用戶的製圖需要（yào），也（yě）可以滿足高級用戶數據分析、函（hán）數擬合的需要。
使用Origin軟件中（zhōng）的四次多項式polynomial擬合公式，使用*小二乘（chéng）法，得到如下（xià）函數，其中流速為自（zì）變量X，儀表係數（shù）為（wéi）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（qǔ）線圖。
表2為（wéi）各對應（yīng）流量點的擬合後儀表係（xì）數（shù）的誤差。
如果直接（jiē）采用各（gè）個流量點的儀表係數取平均（jun1）值得儀表係數為1610.68，表3為未采用擬合修正公式流量點對應儀表係數誤差。
為證明該高粘度變流（liú）速（sù）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（gōng）式以及算法進（jìn）行（háng）精度（dù）驗證，得到表4數據，表5為各對應流（liú）量點的擬（nǐ）合後儀表係數的誤差。
實驗結果表明，經過這種高粘度變流速自適應算（suàn）法修正後，儀表係數精度提高到0.83%。如果（guǒ）隻是簡單將儀表係數取（qǔ）平均，*大誤差將（jiāng）達到4.4%。而且從修（xiū）正後儀表係數誤（wù）差值與未經（jīng）過修正儀表係數誤差值相比，基本（běn）各個流量（liàng）點精度都有較大的提升。
5結（jié）論
本文對（duì）高粘度下廢油流量（liàng）計在測量變流速流（liú）體介質時的儀表係（xì）數變化規律進行了（le）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，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，結果證明此算法確實能夠大幅提高廢油流量計的測量精度。