靶式流量計動態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計方案的探討
智能靶式流量計出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、不容易堵塞等優(yōu)點，主要用于高黏度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，也可用于測量一般氣體、液體和蒸汽等流體介質(zhì)的流量。
目前，智能靶式流量計實流標(biāo)定時要求流體為定常流，但其應(yīng)用場合多為非定常流。在脈動流（周期性、隨機波動）等場合，靶式流量計往往無法準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)流量信號隨時間變化的規(guī)律。此外，當(dāng)流體流動脈動頻率接近靶桿的固有頻率時，靶桿會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。這些因素都會對靶式流量計的準(zhǔn)確度與可靠性產(chǎn)生影響。本文從靶式流量計的結(jié)構(gòu)特點及工作原理出發(fā)，探索與構(gòu)思靶式流量計動態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計方案。
1 結(jié)構(gòu)特點與工作原理
智能靶式流量計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 智能靶式流量計結(jié)構(gòu)示意圖
智能靶式流量計的工作原理是在測量管道的中心位置設(shè)置一靶體（信號發(fā)生體），當(dāng)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F與流體密度ρ、靶體受力面積A、流體流速v的平方成正比，其關(guān)系式如下：
（1）
通過數(shù)學(xué)變換推導(dǎo)，得到流量公式如下：
式中：qm為質(zhì)量流量；qv為體積流量；α為流量系數(shù)；D為測量管道內(nèi)徑；β為流隙比，流量計信息網(wǎng)內(nèi)容圖片（d為靶片的直徑，非圓形靶片可換算成圓的直徑計算）。
靶體的受力大小經(jīng)電阻應(yīng)變片力傳感器轉(zhuǎn)換成微伏電信號，通過信號采集與放大、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器運算處理后，得到相應(yīng)的流體流速和流量。
2 動態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計方案
對于一般的傳感器，根據(jù)其自身特點的不同（如電式、機械式、氣動式傳感器等），可以對其施加正弦信號，分析其頻域響應(yīng)特性；或施加階躍、斜坡、脈沖等信號，分析其時域響應(yīng)特性。另外，還可以施加隨機信號進(jìn)行相關(guān)分析。
靶式流量計的動態(tài)標(biāo)定就是通過試驗研究其在動態(tài)輸入信號作用下的響應(yīng)特性，從而獲取能夠反映其動態(tài)特性的性能指標(biāo)的過程。若要對靶式流量計進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，首先應(yīng)該根據(jù)靶式流量計的工作原理及其自身特點，選擇和設(shè)計合適的標(biāo)定信號及裝置來進(jìn)行試驗。本文通過考慮動態(tài)標(biāo)定的目的，結(jié)合靶式流量計的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設(shè)計了隨機信號法、脈沖信號法和負(fù)階躍信號法三種靶式流量計動態(tài)標(biāo)定裝置設(shè)計方案。下面對這三種標(biāo)定方案進(jìn)行深入的探討與分析。
2.1 隨機信號法
隨機信號法是在一般的靶式流量計靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改造，產(chǎn)生隨機標(biāo)定信號，以實現(xiàn)動態(tài)標(biāo)定。
該方案的思路是將一個已知頻率特性并且具有良好動態(tài)特性的高精度、高性能的標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表先后串接在標(biāo)定管道中，當(dāng)原先的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)中的定量泵開啟后，標(biāo)定管道內(nèi)會產(chǎn)生流體流動相對比較穩(wěn)定的流量信號。而動態(tài)標(biāo)定本身所需要的是一個動態(tài)變化的流體流量信號，可通過在管道出水口設(shè)置一個活動閥門來解決這個問題，具體為利用活動閥門的隨機開關(guān)運動產(chǎn)生一個隨機變化的流體流量信號。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)表所反映的流量信號與待標(biāo)表的電壓輸出信號這兩路信號數(shù)據(jù)。因為標(biāo)準(zhǔn)表具有良好的動態(tài)特性，能比較準(zhǔn)確地反映流體的流量情況，故假定采集到標(biāo)準(zhǔn)表的流量信號與流體流量信號相一致，將其作為待標(biāo)表的輸入信號，與采集的待標(biāo)表的電壓輸出信號一起傳輸給計算機。利用FFT、功率譜等數(shù)字信號處理的相關(guān)方法來估算待標(biāo)表的頻率特性。最后將此頻率特性與已知的標(biāo)準(zhǔn)表的頻率特性進(jìn)行對比，從而實現(xiàn)靶式流量計的動態(tài)標(biāo)定。
圖2 隨機信號法方案示意圖
隨機信號法具有以下優(yōu)點：首先，在原有的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上做適當(dāng)?shù)母脑?，從而可以用比較低的成本來建立靶式流量計的動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)；其次，由于流體流動的復(fù)雜性，要使流體流量產(chǎn)生按正弦、階躍、沖擊等規(guī)律變化的標(biāo)定信號幾乎是不可能的事情，而通過活動閥門的隨機開關(guān)運動產(chǎn)生隨機流量信號作為標(biāo)定信號，可以很好地解決在標(biāo)定信號產(chǎn)生方面存在的這個難點。
隨機信號法也存在一些缺點：首先，由于各生產(chǎn)廠家的流量計產(chǎn)品與現(xiàn)行市面上出售的各種流量計幾乎沒有與頻響特性等動態(tài)特性相關(guān)的性能指標(biāo)，要獲取一個具有良好動態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表非常困難；其次，標(biāo)準(zhǔn)流量計本身也存在一些濾波的情況，直接采集其輸出的流量信號作為待標(biāo)表的流量輸入信號，必然會帶來一些誤差，對待標(biāo)表的動態(tài)標(biāo)定產(chǎn)生負(fù)面的影響。
2.2 脈沖信號法
脈沖信號法是根據(jù)靶式流量計的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點構(gòu)思的一種標(biāo)定裝置設(shè)計方案。
由靶式流量計的原理及結(jié)構(gòu)特點可知，靶式流量計主要是利用流體流動時對靶體的沖擊力使靶桿彎曲形變，從而帶動靶桿上面的電阻應(yīng)變片形變所產(chǎn)生的電信號來進(jìn)行流量測量。因此，從本質(zhì)上來看，靶式流量計其實就是一種電阻應(yīng)變片式的力傳感器，故可借鑒對力、加速度等傳感器的動態(tài)標(biāo)定方法來對靶式流量計進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。脈沖信號法就是運用激振器產(chǎn)生動作，并通過傳動機構(gòu)對靶體施加脈沖力信號來產(chǎn)生動態(tài)標(biāo)定信號，實現(xiàn)對靶式流量計的動態(tài)標(biāo)定。
該設(shè)計方案的標(biāo)定過程為：利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過功率放大后，傳輸給激振器；激振器產(chǎn)生動作，利用傳動機構(gòu)給靶式流量計靶體發(fā)送一個正向的脈沖。這樣，靶式流量計就獲得了一個脈沖標(biāo)定信號。數(shù)據(jù)采集卡采集函數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號與待標(biāo)表輸出的電壓信號，并傳輸給計算機處理。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到頻率響應(yīng)特性。脈沖信號
圖3 脈沖信號法示意圖
脈沖信號法的優(yōu)點是簡單可靠，能夠很容易地產(chǎn)生標(biāo)定信號（脈沖信號），產(chǎn)生的脈沖標(biāo)定信號是一個具有確定規(guī)律的信號。因而輸入信號是一個已知的信號，只需將采集到的靶式流量計輸出的電壓信號與已知脈沖信號（函數(shù)發(fā)生器發(fā)生）的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，就可以利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理。
相對于隨機信號法來說，脈沖信號法的缺點是成本比較高。另外，利用激振器產(chǎn)生力脈沖信號，在實際操作中面臨一些困難和挑戰(zhàn)。
根據(jù)上述方案與隨機信號法的啟發(fā)，如果能夠得到具有很好動態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)表，就可以利用激振器產(chǎn)生標(biāo)定信號（力信號），然后經(jīng)傳動機構(gòu)同時施加于標(biāo)準(zhǔn)表與待標(biāo)表，通過兩者的比較來進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定和評價。標(biāo)定和評價的關(guān)鍵在于能否獲取具有很好動態(tài)特性和相關(guān)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表。
脈沖信號比較法示意圖如圖4所示。
圖4 脈沖信號比較法示意圖
2.3 負(fù)階躍信號法
負(fù)階躍信號發(fā)生裝置如圖5所示。
圖5 負(fù)階躍標(biāo)定信號發(fā)生裝置示意圖
負(fù)階躍信號法是利用掛重裝置產(chǎn)生一個負(fù)階躍力信號來對靶式流量計進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。
負(fù)階躍信號發(fā)生裝置利用掛重裝置，在裝置上下同時懸掛兩個砝碼，放置一段時間后，在某個時刻用剪刀快速剪斷下面的砝碼，從而產(chǎn)生一個負(fù)階躍力的標(biāo)定信號。
負(fù)階躍力信號示意圖如圖6所示。
圖6 負(fù)階躍信號示意圖
負(fù)階躍法方案標(biāo)定過程為：利用掛重裝置產(chǎn)生一個負(fù)階躍力信號給靶式流量計，利用數(shù)據(jù)采集卡采集靶式流量計的電壓輸出信號，將該信號傳輸給計算機并保存。由于掛重裝置所產(chǎn)生的標(biāo)定信號是一個負(fù)階躍的力信號（物理量），不是電信號，所以無法利用數(shù)據(jù)采集卡采集該標(biāo)定信號數(shù)據(jù)來進(jìn)行標(biāo)定。對此，本方案通過構(gòu)造標(biāo)定信號數(shù)據(jù)的方法來解決這個問題。標(biāo)定信號是一個負(fù)階躍的力信號，根據(jù)采集的響應(yīng)信號（靶式流量計的電壓輸出信號）的數(shù)據(jù)，視標(biāo)定信號與響應(yīng)信號的起跳點同步，據(jù)此構(gòu)造標(biāo)定信號（負(fù)階躍力信號）數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定信號與輸出信號數(shù)據(jù)。利用FFT、功率譜、系統(tǒng)辨識等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到靶式流量計的頻率響應(yīng)特性。
負(fù)階躍信號法的優(yōu)點有：首先，該方案成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，信號發(fā)生裝置只需利用現(xiàn)有的干標(biāo)掛重裝置即可；其次，標(biāo)定信號是已知的負(fù)階躍信號，只需采集靶式流量計輸出的電壓信號。
負(fù)階躍信號法的缺點是：當(dāng)快速剪斷繩子，突然釋放底下的砝碼，在理論上可產(chǎn)生一個負(fù)階躍力信號，但是，繩子本身具有一定的彈性，并且掛重裝置上還存在滑輪，因而繩子在經(jīng)過滑輪時，還要受到摩擦力的影響，因此，所產(chǎn)生的標(biāo)定信號并不是一個理想的負(fù)階躍信號。
3 結(jié)束語
本文基于對靶式流量計結(jié)構(gòu)特點、工作原理的認(rèn)識，構(gòu)思出隨機信號法、脈沖信號法和負(fù)階躍信號法三種動態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計方案。其中，隨機信號法的成本低，但難以獲取具有良好動態(tài)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表。脈沖信號法通過函數(shù)發(fā)生器發(fā)生標(biāo)定信號給激振器產(chǎn)生動作，利用傳動機構(gòu)對靶體施加標(biāo)定信號，易于實現(xiàn)，但成本較高。而負(fù)階躍信號法成本低廉，裝置簡單可靠、可行性高。比較三種設(shè)計方案的優(yōu)缺點，認(rèn)為負(fù)階躍信號法為最佳標(biāo)定裝置設(shè)計方案，可實現(xiàn)靶式流量計的動態(tài)標(biāo)定。