冲板流量计测量特点

冲板流量计测量特点

标签：冲板流量计 物料测量 深圳卓禾

冲板流量计是一种散状固体颗粒流量测量仪表, 广泛应用于食品、医药、化工、水泥和采矿等生产过程中。为了保证测量的正确可靠，人们对冲板流量计测量技术不断的研究与改善，对冲板流量计的测量过程进行试验分析。在实验数据的基础上, 辨识出该冲板流量计的传递函数。建立了冲板流量计的动态模型, 用simu link 工具箱模拟了瞬时冲击信号、连续冲击信号和间断冲击信号, 分析了三种不同信号下冲板流量计的测量精度。

下文主要对冲板流量计的动态模型进行分析，加深对冲板流量计的测量特性的了解。2 冲板流量计原理 冲板流量计是基于动量原理测量自由下落的粒状固体介质的流量计。当被测介质距检测板一定高度自由下落时, 产生一个作用在检测板上的冲力。冲板式流量计的工作状况和力的分析如图1, 物料对冲板的作用力可以分解为垂直分力和水平分力。其水平分力的合力与被测介质的质量流量成正比。测量该水平分力可实现流量的测量。

图1 冲板流量计测量原理示意图

经推导, 作用在检测板上的水平分力FH 为:

FH = qm # sinA# sinB 2gh+ M20 ( 1)

式中:

qm--- 单位时间质量流量;

g---- 重力加速度;

h---- 自由下落高度;

A---- 物料对冲板的冲击角;

B---- 冲板与水平线夹角;

M0--- 物料落料时的初速

度。

由式( 1)可以看出当A 、B 和h 一定时, FH 与qm 成正比, 因此, 通过对水平分力的测量即可得出物料的流量值[ 3] 。

3 实验结果分析①

3. 1 单个物料冲击实验

在实验条件下, 在冲板流量计的水平方向连接一位移传感器, 传感器所得信号由labjack U12数据采集仪采集, 并将数据保存在计算机里。图2由无

阻尼液和阻尼液分别为水、甘油时单个物料冲击所形成的震荡波。

图2 单个物料冲击后的波形

由波形发现, 阻尼液为甘油时曲线振荡时间比阻尼液为水和无阻尼时要短得多, 也比较符合我们的实验要求。因此, 在连续物料冲击的实验中, 我们只用甘油为阻尼液; 在下述的试验模拟中, 只针对用甘油为阻尼液时的系统作模拟。

3. 2 连续物料冲击实验

在实验中, 固体物料很难做到完全连续冲击, 而液体却可以很容易地做到连续冲击和控制流量, 因而我们选择水代替连续冲击的物料。图3为水流连续冲击时的实测结果。从图中可以明显看出, 水流冲击前和水流冲击时, 波形明显有一个阶跃。这个阶跃反映连续冲击的水流作用在冲板上的力, 对应系统流过的流量。当水流开始冲击和关断, 冲板的震荡就是衰减振荡曲线。这表明在测量流体发生间断时测量结果中发生类似的震荡。

图3 阻尼液为甘油时水流连续冲击后的波形

4 冲板流量计动态模型

因为实际颗粒流动是很不规则的, 流量测量实验中要重现物料各种流动状态下测量系统的表现是很困难的, 因此建立冲板流量计的模拟系统就十分必要。从动力学角度分析, 我们可以把冲板流量计看作类似带阻尼器的弹簧振子。因此考虑用二阶振子模拟冲板流量计的特性。

二阶系统的传递函数为:

G ( s) =X2ns2 + 2NXn s+ X2n

( 2)

式中: Xn ) ) ) 无阻尼固有频率;N) ) ) 阻尼比。显然,Xn 与N 是二阶系统的特征参数, 它们表明了二阶系统本身与外界无关的特性[ 4]。

由震荡波形, 我们可以计算出无阻尼固有频率Xn 和阻尼比N, 进而辨识出该冲板流量计(阻尼液为甘油) 的传递函数为:G ( s) =2 767. 652s2 + 10. 217s+ 2 767. 652从而建立了冲板流量计的动态模型。 5 模型验证

在模拟之前, 我们先要检验模拟是否可行。单个物料冲击流量计时, 与流量计接触时间很短, 在模拟中我们可以理解为一个脉冲信号。选择时间为0. 01 s, 幅度为10 V的脉冲信号来模拟单个物料的冲击。 因为波形的幅度受冲击力度的影响, 所以, 为了比较模拟出来的波形和实验所得到的波形之间的差别, 我们把实验所得数据放大后进行比较, 比较周期和衰减比, 所得图形如图4所示。

图4 模拟波形与实验波形的比较

在实际操作中, 因为第一个波峰的高度和大小容易受到冲击时间的影响, 所以我们比较第二个波峰与第三个波峰。通过对模拟结果与实验结果的对比, 我们发现: 模拟时波形周期为0. 121 s, 实验所得波形周期

为0. 120 s; 模拟中第二个波峰与第三个波峰的比值为1. 857, 实验所得数据中第二个波峰与第三个波峰的比值为1. 850。可见, 用二阶阻尼模型模拟结果还是比较可靠的。

6 模拟研究

6. 1 瞬时冲击信号模拟

我们仍用时间为0. 01 s, 幅度为10 V 的脉冲信号来进行单个物料冲击模拟。在实际应用中, 位移传感器将位移转换为相应的标准电流或电压信号时, 小于零值的电流或电压均限幅处理[ 3, 4]。为了与工业上的实际应用相对应, 在对模拟震荡波形进行积分时, 忽略了x 坐标轴以下的部分(下同) , 经过2. 5 s 的模拟时间后, 我们对波形进行积分, 积分结果s= 0. 370 583, 计算得测量误差为( 0. 370 583- 10 @ 0. 01)10 @ 0. 01= 270. 583%。可见, 单个物料的冲击带来的误差很大。

6. 2 连续冲击信号模拟比较理想的情况下, 物料的连续流动可以理解为一个时间较长的脉冲。我们用时间为5 s, 幅值为5 V的连续信号来模拟连续物料流量, 模拟得到的波形如图5所示。从图中可看到, 在前5 s的时间内, 波形是以5为中轴上下波动而逐渐趋于5, 5 s以后, 冲击结束, 波形突然下降, 以0为中心轴上下波动, 直至趋向为0。经过10 s的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得到s = 25. 303 9, 测量误差为1. 216%。再模拟时间为15 s, 高度为5 V 的连续冲击。经过30 s的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得s= 75. 309 2, 测量误差为0. 412%。可见, 随着连续冲击时间的延长, 模拟结果也越来越精确。 图5 时间5 s, 幅值5 V的冲击响应波形

6. 3 间断冲击信号模拟

对于大多数使用冲板流量计的厂家来说, 进料不会一直都是那么均匀的。下面我们分析当物料因为各种原因而不能连续流动时, 测量的精确度如何。我们构造一个不连续输入信号(图6), 用来模拟不连续的物料流动。该信号为周期信号, 前4 s幅值为10 V, 后1 s幅值为0, 如此连续做六次周期变换。从图中, 我们知道初始的波形积分面积为240, 经过60 s 的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得到s= 243. 641, 测量误差为1. 517%。虽然总的冲击时间延长了, 但是由于是不连续的冲击, 所以误差还是扩大了。 图6 冲击信号

6. 4 模拟时间的影响

在模拟过程中, 对于同一个震荡信号, 不同的模拟时间会得到不同的模拟结果。比如, 对于图5所示的震荡波形, 模拟时间为5 s 时, 波形积分为24. 9815; 模拟时间为6 s时, 波形积分为25. 301 0; 模拟时间为50 s时, 波形积分为25. 327 5。见, 随着模拟时间的延长, 模拟的精度会有一定程度的下降, 这主要是由于冲击信号结束后, 冲板仍会做一定的震荡以及电流等噪声干扰产生的。由于冲板流量计在实际的使用中, 进料不可能一直是连续的, 为了尽可能地减少测量误差, 我们认为, 在冲击震荡波趋于稳定后, 就应该停止流量计的计量。在图5中表现为5~ 6 s之间。由于本文采用的是ode45积分方式, 而ode45是变步长

的龙格- 库塔法, 它的步长是根据容许误差自动确定的, 不需要设定, 这就有可能造成模拟时间变长后, 反而波形积分比原来还小的结果(这种情况是极少的) 。这种情况的出现, 并不是理论的错误, 而是积分方式造成的。在这种情况下, 如果我们仍想得到上述结论, 只需换一种积分方式即可。

7 结 论

本文研究了冲板流量计的动态特性, 建立了冲板流量计的动态模型, 得到以下结论:

①证实了用二阶系统模拟冲板流量计的可行性, 从而为冲板流量计在工业上的应用提供了一种好的模拟研究方法;

② 研究表明满足流量计的动态特性要求是正确使用的关键;

③冲板流量计的阻尼因子对测量精度的影响很大。因此, 实际应用中应选择合适的阻尼;

④在被测物料的测量中, 粒度应均匀, 流量应稳定, 尽量减少对流量计的冲击。测量时间应在物料断流后保持适当的延长;

⑤对应的测量电路应有必要的动态范围以适应冲击的影响。

参考文献:

[ 1] 鲁烈明, 陈伟. 冲板流量计的误差及适用性分析[ J] . 化工自动化及仪表, 1994, 21( 5 ) : 43-45.

[ 2] 杨叔子, 杨克冲, 等. 机械工程控制基础[M ] . 武汉: 华中科技大学出版社, 2002: 74-85.

[ 3] 何玉东. 冲板流量计应用点滴[ J] . 新疆有色金属, 1996,( 2 )

[ 4] 纪 钢. 流量测量仪表应用技巧[M ] . 北京: 化学工业出版

文章由深圳卓禾仪器整理：www.szlongxin.com

冲板流量计测量特点

标签：冲板流量计 物料测量 深圳卓禾

冲板流量计是一种散状固体颗粒流量测量仪表, 广泛应用于食品、医药、化工、水泥和采矿等生产过程中。为了保证测量的正确可靠，人们对冲板流量计测量技术不断的研究与改善，对冲板流量计的测量过程进行试验分析。在实验数据的基础上, 辨识出该冲板流量计的传递函数。建立了冲板流量计的动态模型, 用simu link 工具箱模拟了瞬时冲击信号、连续冲击信号和间断冲击信号, 分析了三种不同信号下冲板流量计的测量精度。

下文主要对冲板流量计的动态模型进行分析，加深对冲板流量计的测量特性的了解。2 冲板流量计原理 冲板流量计是基于动量原理测量自由下落的粒状固体介质的流量计。当被测介质距检测板一定高度自由下落时, 产生一个作用在检测板上的冲力。冲板式流量计的工作状况和力的分析如图1, 物料对冲板的作用力可以分解为垂直分力和水平分力。其水平分力的合力与被测介质的质量流量成正比。测量该水平分力可实现流量的测量。

图1 冲板流量计测量原理示意图

经推导, 作用在检测板上的水平分力FH 为:

FH = qm # sinA# sinB 2gh+ M20 ( 1)

式中:

qm--- 单位时间质量流量;

g---- 重力加速度;

h---- 自由下落高度;

A---- 物料对冲板的冲击角;

B---- 冲板与水平线夹角;

M0--- 物料落料时的初速

度。

由式( 1)可以看出当A 、B 和h 一定时, FH 与qm 成正比, 因此, 通过对水平分力的测量即可得出物料的流量值[ 3] 。

3 实验结果分析①

3. 1 单个物料冲击实验

在实验条件下, 在冲板流量计的水平方向连接一位移传感器, 传感器所得信号由labjack U12数据采集仪采集, 并将数据保存在计算机里。图2由无

阻尼液和阻尼液分别为水、甘油时单个物料冲击所形成的震荡波。

图2 单个物料冲击后的波形

由波形发现, 阻尼液为甘油时曲线振荡时间比阻尼液为水和无阻尼时要短得多, 也比较符合我们的实验要求。因此, 在连续物料冲击的实验中, 我们只用甘油为阻尼液; 在下述的试验模拟中, 只针对用甘油为阻尼液时的系统作模拟。

3. 2 连续物料冲击实验

在实验中, 固体物料很难做到完全连续冲击, 而液体却可以很容易地做到连续冲击和控制流量, 因而我们选择水代替连续冲击的物料。图3为水流连续冲击时的实测结果。从图中可以明显看出, 水流冲击前和水流冲击时, 波形明显有一个阶跃。这个阶跃反映连续冲击的水流作用在冲板上的力, 对应系统流过的流量。当水流开始冲击和关断, 冲板的震荡就是衰减振荡曲线。这表明在测量流体发生间断时测量结果中发生类似的震荡。

图3 阻尼液为甘油时水流连续冲击后的波形

4 冲板流量计动态模型

因为实际颗粒流动是很不规则的, 流量测量实验中要重现物料各种流动状态下测量系统的表现是很困难的, 因此建立冲板流量计的模拟系统就十分必要。从动力学角度分析, 我们可以把冲板流量计看作类似带阻尼器的弹簧振子。因此考虑用二阶振子模拟冲板流量计的特性。

二阶系统的传递函数为:

G ( s) =X2ns2 + 2NXn s+ X2n

( 2)

式中: Xn ) ) ) 无阻尼固有频率;N) ) ) 阻尼比。显然,Xn 与N 是二阶系统的特征参数, 它们表明了二阶系统本身与外界无关的特性[ 4]。

由震荡波形, 我们可以计算出无阻尼固有频率Xn 和阻尼比N, 进而辨识出该冲板流量计(阻尼液为甘油) 的传递函数为:G ( s) =2 767. 652s2 + 10. 217s+ 2 767. 652从而建立了冲板流量计的动态模型。 5 模型验证

在模拟之前, 我们先要检验模拟是否可行。单个物料冲击流量计时, 与流量计接触时间很短, 在模拟中我们可以理解为一个脉冲信号。选择时间为0. 01 s, 幅度为10 V的脉冲信号来模拟单个物料的冲击。 因为波形的幅度受冲击力度的影响, 所以, 为了比较模拟出来的波形和实验所得到的波形之间的差别, 我们把实验所得数据放大后进行比较, 比较周期和衰减比, 所得图形如图4所示。

图4 模拟波形与实验波形的比较

在实际操作中, 因为第一个波峰的高度和大小容易受到冲击时间的影响, 所以我们比较第二个波峰与第三个波峰。通过对模拟结果与实验结果的对比, 我们发现: 模拟时波形周期为0. 121 s, 实验所得波形周期

为0. 120 s; 模拟中第二个波峰与第三个波峰的比值为1. 857, 实验所得数据中第二个波峰与第三个波峰的比值为1. 850。可见, 用二阶阻尼模型模拟结果还是比较可靠的。

6 模拟研究

6. 1 瞬时冲击信号模拟

我们仍用时间为0. 01 s, 幅度为10 V 的脉冲信号来进行单个物料冲击模拟。在实际应用中, 位移传感器将位移转换为相应的标准电流或电压信号时, 小于零值的电流或电压均限幅处理[ 3, 4]。为了与工业上的实际应用相对应, 在对模拟震荡波形进行积分时, 忽略了x 坐标轴以下的部分(下同) , 经过2. 5 s 的模拟时间后, 我们对波形进行积分, 积分结果s= 0. 370 583, 计算得测量误差为( 0. 370 583- 10 @ 0. 01)10 @ 0. 01= 270. 583%。可见, 单个物料的冲击带来的误差很大。

6. 2 连续冲击信号模拟比较理想的情况下, 物料的连续流动可以理解为一个时间较长的脉冲。我们用时间为5 s, 幅值为5 V的连续信号来模拟连续物料流量, 模拟得到的波形如图5所示。从图中可看到, 在前5 s的时间内, 波形是以5为中轴上下波动而逐渐趋于5, 5 s以后, 冲击结束, 波形突然下降, 以0为中心轴上下波动, 直至趋向为0。经过10 s的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得到s = 25. 303 9, 测量误差为1. 216%。再模拟时间为15 s, 高度为5 V 的连续冲击。经过30 s的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得s= 75. 309 2, 测量误差为0. 412%。可见, 随着连续冲击时间的延长, 模拟结果也越来越精确。 图5 时间5 s, 幅值5 V的冲击响应波形

6. 3 间断冲击信号模拟

对于大多数使用冲板流量计的厂家来说, 进料不会一直都是那么均匀的。下面我们分析当物料因为各种原因而不能连续流动时, 测量的精确度如何。我们构造一个不连续输入信号(图6), 用来模拟不连续的物料流动。该信号为周期信号, 前4 s幅值为10 V, 后1 s幅值为0, 如此连续做六次周期变换。从图中, 我们知道初始的波形积分面积为240, 经过60 s 的模拟时间后, 我们对所得波形进行积分, 得到s= 243. 641, 测量误差为1. 517%。虽然总的冲击时间延长了, 但是由于是不连续的冲击, 所以误差还是扩大了。 图6 冲击信号

6. 4 模拟时间的影响

在模拟过程中, 对于同一个震荡信号, 不同的模拟时间会得到不同的模拟结果。比如, 对于图5所示的震荡波形, 模拟时间为5 s 时, 波形积分为24. 9815; 模拟时间为6 s时, 波形积分为25. 301 0; 模拟时间为50 s时, 波形积分为25. 327 5。见, 随着模拟时间的延长, 模拟的精度会有一定程度的下降, 这主要是由于冲击信号结束后, 冲板仍会做一定的震荡以及电流等噪声干扰产生的。由于冲板流量计在实际的使用中, 进料不可能一直是连续的, 为了尽可能地减少测量误差, 我们认为, 在冲击震荡波趋于稳定后, 就应该停止流量计的计量。在图5中表现为5~ 6 s之间。由于本文采用的是ode45积分方式, 而ode45是变步长

的龙格- 库塔法, 它的步长是根据容许误差自动确定的, 不需要设定, 这就有可能造成模拟时间变长后, 反而波形积分比原来还小的结果(这种情况是极少的) 。这种情况的出现, 并不是理论的错误, 而是积分方式造成的。在这种情况下, 如果我们仍想得到上述结论, 只需换一种积分方式即可。

7 结 论

本文研究了冲板流量计的动态特性, 建立了冲板流量计的动态模型, 得到以下结论:

①证实了用二阶系统模拟冲板流量计的可行性, 从而为冲板流量计在工业上的应用提供了一种好的模拟研究方法;

② 研究表明满足流量计的动态特性要求是正确使用的关键;

③冲板流量计的阻尼因子对测量精度的影响很大。因此, 实际应用中应选择合适的阻尼;

④在被测物料的测量中, 粒度应均匀, 流量应稳定, 尽量减少对流量计的冲击。测量时间应在物料断流后保持适当的延长;

⑤对应的测量电路应有必要的动态范围以适应冲击的影响。

参考文献:

[ 1] 鲁烈明, 陈伟. 冲板流量计的误差及适用性分析[ J] . 化工自动化及仪表, 1994, 21( 5 ) : 43-45.

[ 2] 杨叔子, 杨克冲, 等. 机械工程控制基础[M ] . 武汉: 华中科技大学出版社, 2002: 74-85.

[ 3] 何玉东. 冲板流量计应用点滴[ J] . 新疆有色金属, 1996,( 2 )

[ 4] 纪 钢. 流量测量仪表应用技巧[M ] . 北京: 化学工业出版

文章由深圳卓禾仪器整理：www.szlongxin.com