靶式流量計的測量不確定度分析

1、靶式流量計的測量不確定度分析摘要：靶式流量計測量高粘度介質流量有其獨特的優(yōu)點，但影響靶式流量計測量準確度有諸多要素。本文分析了靶式流量計測量不確定度的來源，并探討了相應的改善方法。從而提高其測量精度和測量和測量范圍。關鍵詞：靶式流量計 不確定度 測量精度0 引言流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達60種之多。靶式流量計是60年代隨著工業(yè)生產中迫切需要解決高粘度、低雷諾數(shù)流體的測量而發(fā)展起來的流量儀表。它除了適用于一般的氣體、液體以及蒸汽的流量測量外，還適用于漿液介質、懸浮顆粒介質、易結晶凝結介質、臟污沉淀介質、腐蝕性介質以及高粘度介質。諸如重油、瀝

2、清、礦漿、焦油、淬火油、有機酸、非導電流體等等，同時還具有一定的抗脈動流的能力。靶式流量計的原理是：當流體流經儀表時，檢測部分中的圓形靶就感受到由流體動能轉換成的沖擊力，該力與流體的流量成比例。傳統(tǒng)靶式流量計都存在機械結構復雜、靈敏度低、量程范圍窄等缺點。新型的應變靶式流量計是在靶桿的另一端貼上一組應變片,當流體沖擊靶片時，靶桿彈性變形，從而在應變電橋輸出端得到與沖擊力成正比的電壓信號。與傳統(tǒng)靶式流量計相比，智能應變靶式流量計機械結構非常簡單，無須任何機械調零裝置和可動部件；大大提高了靶片的變形量，提高了精度。1 靶式流量計的原理靶式流量計的結構示意圖如圖1所示圖1 靶式流量計結構示意圖由圖1

3、靶式流量計的結構可知，它由兩部分組成，一部分是對力F進行檢測的部分，另一部分是將檢測到的力信號F轉換成電信號并進行處理的部分（如顯示、積算等）。靶式流量計的工作原理是在測量管道的中心位置設置一靶體（信號發(fā)生體），當流體流動沖擊位于管道中心位置的靶體時，作用于靶體上的力，與流體密度、靶體受力面積、流體流速的平方成正比，其關系式如下： （1） 其中 靶片所受的作用力，； 阻力系數(shù)； 流體工況密度，； 靶片受力面積，； 流體流速，。通過數(shù)學變換推導，得到流量公式如下： （2） （3）式中 質量流量與，； 體積流量； 流量系數(shù)； 測量管道內徑，； 流隙比，(為靶片的直徑，；非圓形靶片可換算成圓的直徑計

4、算)。靶體的受力大小經電阻應變片力傳感器轉換成微伏電信號，通過信號采集與放大、A/D轉換、經微處理器運算處理后，得到相應的流體流速和流量。3 靶式流量計的不確定度分析3.1 流量系數(shù)的影響由靶式流量計的流量式(2)、式(3)可知，流體流量與流量系數(shù)k有關。靶式流量計的k值與雷諾數(shù)、靶的幾何尺寸、形狀、結構、管道內徑、直徑比、被測介質性質有關。大量的實驗結果表明，當流量超過某一值時（或者說流體的雷諾數(shù)，為界限雷諾數(shù)），流量系數(shù)k將趨于常數(shù)；當雷諾數(shù)較小時（或者說雷諾數(shù)小于界限雷諾數(shù)），由于流體的粘滯磨擦力占有較大比例，呈層流狀態(tài)，流量系數(shù)將隨介質的性質而改變。所以靶式流量計在測試小流量時誤差很大

5、，致使量程比變得很窄。3.2 靶片的幾何形狀不確定度分析靶片是接觸流體的檢測元件。不同幾何形狀的靶有不同的阻力，我們可以得到不同的流量系數(shù)和不同的壓力損失。球形狀的靶對流量系數(shù)及壓力損失的影響最大；半球靶次之；平靶為最小。在靶式流量計中，由于平靶形狀簡單易于滿足加工工藝要求和便于裝配，而且靶后也不產生明確漩渦，故選用平靶居多，從而對流量系數(shù)影響較小。3.3 靶桿變形的影響由于靶桿材料性質的影響，當流體流量很大時，靶桿的變形超過其彈性變形，一旦流量為零時，靶桿不能立即恢復到原始位置，造成儀表計量誤差。3.4 流通截面的不確定度分析靶式流量計的流通截面積是以靶與測量導管之間圓環(huán)面積來表示的。因此，

6、要求在結構設計中，杠桿直徑與杠桿的通道應為最小。杠桿直徑最小是為了減小破壞環(huán)形孔面積部分。杠桿的通道最小是為在測量導管中除了環(huán)形孔流通外，盡量減小其它的流通部分，在流通截面突然增大處易產生漩渦，從而影響流量計的特性和測量準確度。當實際的流通截面大于設計要求的環(huán)形面積時，將偏大否則將偏小。3.5 靶徑和管徑的不確定度分析靶徑d和管徑D直接影響儀表的流量系數(shù)，為此，靶徑與管徑的加工尺寸就嚴格控制在規(guī)定的公差范圍內，以減小對流量系數(shù)的影響。此外，管徑內壁應光滑，無加工痕跡。靶徑與流量系數(shù)成正比，管徑與流量系數(shù)成反比。3.6 應變片傳感器的影響影響應變片長期穩(wěn)定性的因素很多，包含了前面所討論的各階段各

7、項技術參數(shù)，簡要總結如下：1.構成材料性能:(1)敏感柵：合金成分的均勻性；熱處理的深度(時間、溫度、次數(shù))。(2)膠粘劑(基底將覆蓋層)：粘和特性;粘接條件；固化條件(壓力、溫度、時間、次數(shù))。2.粘接力的變化:粘接力;劣化。3.殘余應力及其變化：采用超聲清洗，用酒精和丙酮作為清洗劑;涂膠時溫、濕度；采用無預應力的化學調阻方法，保證應變計靈敏系數(shù)和電阻溫度系數(shù)的一致性。4敏感柵結構及加工后的缺陷：結構形式、毛刺、缺口、連橋、灰塵等。5.虛焊及殘余助焊劑：虛焊；殘余助焊劑的腐蝕作用。6.環(huán)境條件變化：原始的溫濕度；工藝中的溫濕度、保存中的溫濕度。傳感器的輸出電壓與應變量近似成正比，而當4個電阻

8、的基本阻值有差異，或應變片粘貼不對稱時，輸出電壓U不再與應變量成正比。另外，當傳感器溫度變化時，一方面因彈性元件、粘接劑、應變片都有不同程度熱脹冷縮，引起應變片電阻變化；另一方面應變片電阻溫度系數(shù)引起電阻變化，即使采用全電橋接法，由于應變片性能分散等原因，輸出電壓多少還是有些變化。3.7 流體密度的不確定度分析由靶式流量計的流量式可知，被測流體的流量與密度有關。我們在標定儀表時，大部分是以水或空氣為介質，但被測流體不再是水或空氣時，密度發(fā)生變化.計量精度將會受到很大影響；另一方面，對同一介質來說，在不同溫度和壓力條件下，密度也會變化，因此在流量計量時，必須對介質的密度進行補償。3.8 由標定系

9、統(tǒng)引入的不確定度流量計在出廠之前必須進行等級標定。流量標定系統(tǒng)是通過流量流過儀表到達容器，通過儀表示數(shù)和容器液體稱重的顯示數(shù)之差來評定流量計的精度等級的，而系統(tǒng)本身的轉向器轉向時間、電子稱也會給流量計標定帶來不確定度。4 減小靶式流量計測量不確定度的措施由以上分析可知，除了加工精度的影響，要提高靶式流量計的測試精度和量程比，必須采取相應的軟、硬件措施來提高或補償傳感器的性能。4.1 傳感器變化影響a.溫度對傳感器的影響傳感器內流體的溫度發(fā)生較大變化時，將會引起傳感器內部尺寸變化，從而影響到傳感器特性，須加以修正。溫度變化引起傳感器尺寸變化的修正系數(shù)式中傳感器殼體材料膨脹系數(shù)；傳感器內葉輪材料膨

10、脹系數(shù)；工作溫度與標定溫度之差；溫度變化引起傳感器內流體體積變化的修正系數(shù)式中工作溫度與標定溫度之差；被測液體的膨脹系數(shù)。b.應變電橋零點的修正應變電橋的零漂包括空載零漂和溫漂，若用硬件調節(jié)，可在橋臂上加上調零電阻和溫度補償電阻；若用軟件修正，可在二次儀表中通過單片機檢測到傳感器零點電壓。二次儀表的零漂修正單片機定時檢測二次儀表的零點電壓，可有效消除二次儀表的零點漂移。4.2 流體密度的補償a.被測流體與標定流體密度不同時流量的補償靶式流量計的標定介質通常是水或空氣，當被測流體為其它介質時，介質密度發(fā)生變化，標定介質的體積流量與被測介質體積流量的關系是: （4） （5） （6）b.同一流體在不

11、同溫度壓力時的密度補償對于液體，壓力的變化對密度的影響可忽略小計。在一定溫度范圍內，液體密度與溫度之間可表示為線性關系： （7）4.3 線性補償靶式流量計的非線性主要是由流量系數(shù)、應變電橋的非線性、A/D轉換的非線性造成的，可通過軟件修正達到很好的效果。軟件修正方法通常采用查表一內插法，選取適當?shù)膬炔妩c，特別是在誤差大的區(qū)域(如小流量區(qū))多加幾個內插點，進行分段處理，便可大大地提高儀表的測試精度和量程范圍。當測量精度要求較高時，可在傳感器標定曲線的基礎上，利用數(shù)學軟件工具MATLAB進行多項式逼近，再根據(jù)傳感器靈敏度要求，提出理想線性化特性，將逼近多項式與理想線性化特性比較，得到線性化修正曲線，將修正曲線進行存儲，然后利用單片機查找修正值。5 結束語 流量計測量的不確定度影響著流量計計量的準確性，要減小測量的不確