CN101266500A - 智能型体积式恒流流量计及测量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高精度的可连续的液体流量检测与控制技术。本发明提供一种检测控制精度高，可用于强腐蚀液体的流量控制器。采用体积计量与恒流调节方式来测量控制流量。运用时差修正算法可实现流量累积误差趋近于零。本发明由计量桶(3)，两位电磁阀(5)(6)，干簧管(11)(12)，圆盘磁性浮子(10)，浮子导杆(13)组成进液恒体积控制。由恒流桶(4)，干簧管(9)，圆盘磁性浮子(8)，浮子导杆(14)，步进电动执行器(7)组成出液恒流控制。计量桶(3)由恒流桶(4)下液位干簧管(9)控制定时放液和重新进液。恒流桶(4)液位上升出口流量增加，步进电动执行器(7)逐渐回关。恒流桶(4)液位下降出口流量减少，步进电动执行器(7)阀开始逐渐打开，以保持流量不变。

Description

智能型体积式恒流流量计及测量控制方法

技术领域：

本专利属于高精度的可连续的液体流量检测与控制技术。

背景技术：

在混料进入反应器及混合槽等设备时，需要对液体进行高精度流量检测与控制，以控制产品质量。目前高精度液体流量检测有质量流量计，超声波流量计，电磁流量计等，但是造价昂贵，微流量检测误差大且无流量控制。目前最常用的体积法流量测量和控制，是在一定的时间间隔内，通过计量桶下一定体积的液体来实现的，流量是断续的。注塞泵(计量泵)也属体积法流量测量和控制，流量输出有脉动成分。没有形成连续稳定的流量控制对于混料等要求严格均匀的场合有影响。其次对于强腐蚀液体注塞泵(计量泵)密封部件容易腐蚀，影响流量控制精度且维护量增加。

发明内容：

本发明提供一种检测控制精度高，可用于强腐蚀液体的流量控制器。采用体积计量与恒流调节方式来测量控制流量，使流量输出成为一条平稳的直线。运用时差修正算法进行跟踪曲线修正，可实现流量累积误差趋近于零。

本发明由(图1)计量桶(3)，两位电磁阀(5)(6)，干簧管(11)(12)，圆盘磁性浮子(10)，圆盘磁性浮子导杆(13)组成进液恒体积控制。智能控制器(2)控制两位电磁阀(5)进液，当圆盘磁性浮子(10)随液位上升至与计量桶(3)外的干簧管(11)平齐时，干簧管闭合发出信号给智能控制器(2)并使控制两位电磁阀(5)停止进液。由恒流桶(4)，干簧管(9)，圆盘磁性浮子(8)，圆盘磁性浮子导杆(14)，步进电动执行器(7)组成出流恒流控制。当恒流桶(4)液位低于下液位干簧管(9)位置时，智能控制器(2)控制两位电磁阀(6)使计量桶(3)放液，开始给恒流桶(4)加液。当恒流桶(4)液位上升后，此时步进电动执行器(7)阀出口流量增加，步进电动执行器(7)开始逐渐回关，以保持流量不变。当计量桶(3)放液至下液位时，使干簧管(12)闭合，智能控制器(2)控制两位电磁阀(6)关闭，恒流桶(4)加液停止。此时，两位电磁阀(5)打开给计量桶(3)重新进液，进液至与计量桶(3)外的干簧管(11)平齐后停止进液等待，如此循环。另外当恒流桶(4)液位开始下降后，此时步进电动执行器(7)阀出口流量减少，步进电动执行器(7)阀开始逐渐打开，以保持流量不变，直到下液位结束。周而复始。步进电动执行器(7)阀回关速率与打开速率与恒流桶(4)液位上升速率与下降速率平方根正好相等，使流量控制成一条平稳的直线。

附图说明：

图1，系统组成：上位计算机(1)，智能控制器(2)，计量桶(3)，恒流桶(4)，两位电磁阀(5)(6)，步进电动执行器(7)，干簧管(9)(11)(12)，圆盘磁性浮子(8)(10)，圆盘磁性浮子导杆(13)(14)组成。

图2，智能控制器系统电路原理接线图：单片机采用TA89C51。液晶显示器采用LC1621。DCF1，DCF2为图1两位电磁阀(5)(6)线圈。A，B，C为图1三项步进动执行器(7)电机绕组。RS485采用MAX485芯片。SX来自图1干簧管(11)信号，XX来自图1干簧管(12)信号，GH来自图1干簧管(9)信号。SS，XJ，QD，TZ为智能控制器面板按钮。

图3，重量变化曲线图：0-t1为图1恒流桶(4)加液时间(排液也在继续)，液位曲线上升段。t1至t2；t3；t4为图1恒流桶(4)单独排液时间，液位曲线下降段。s1下液位线，s2流量大曲线，s3流量正常曲线，s4流量小曲线。

具体实施方式：

在图1中，恒流桶(4)为敞口方式，步进电动执行器(7)阀出口为自由出流。设步进电动执行器(7)阀出口至恒流桶(4)液面高为h，步进电动执行器(7)阀流通截面为A，通过阀的流量根据托里拆里(E.Torricelli，1644)公式有：

$Q=\mathrm{\μA}\sqrt{2\mathrm{gh}}---\left(a\right)$

其中μ称为流量修正系数。

设步进电动执行器(7)阀杆位移量L增减与阀流通截面A增减成线性关系

A＝kL    (b)

k比例系数。

(a)(b)合并有：

$Q=\mathrm{\μkL}\sqrt{2\mathrm{gh}}---\left(c\right)$

设 $k1=\mathrm{\μk}\sqrt{2g}$

则有：

$Q=k1L\sqrt{h}---\left(d\right)$

(d)式中k1为常数。

由(d)式可见，要保持恒流桶(4)出口流量Q不变，当液位高度h增减时，步进电动执行器(7)阀杆位移量L按照液位高度h的平方根比例减增调节即可。

图1中两位电磁阀(5)(6)口径一般设置比较粗，可以短时间加满计量桶(3)和短时间由计量桶(3)放液至恒流桶(4)。计量桶(3)放液至低液位后，干簧管(12)发出信号，两位电磁阀(6)关闭，两位电磁阀(5)打开。计量桶(3)开始进液，当液位上升至上液位干簧管(11)发出信号后两位电磁阀(5)关闭，等待放液。恒流桶(4)出口排液流量由步进电动执行器(7)控制，继续排液直到恒流桶(4)液位达到下限时，干簧管(9)发出信号，重新打开两位电磁阀(6)使计量桶(3)放液至恒流桶(4)，如此循环。

计量桶(3)加满一定体积，当两位电磁阀(6)打开，开始放液至恒流桶(4)时。设两位电磁阀(6)流通截面为A1，流量为Q1，计量桶(3)液位高度为h1，则有：

$Q_1=\mathrm{\μ}{A}_1\sqrt{2{\mathrm{gh}}_1}$

其中μ称为流量修正系数。

设h₁上液位干簧管(11)位置为h_1Max，下液位干簧管(12)位置为h_1Min。有计量桶(3)流出流量最小值：

$Q_{1\mathrm{Min}}=\mathrm{\μ}{A}_1\sqrt{2g{h}_{1\mathrm{Min}}}$

设恒流桶(4)流出流量Q不变，则流桶(4)液位变化为dh，有：

$\mathrm{dh}=\frac{({\mathrm{\μA}}_1\sqrt{2{\mathrm{gh}}_1}-Q)\mathrm{dt}}{\mathrm{\π}{r}^2}---\left(e\right)$

r为恒流桶(4)半径。

为了保证计量桶(3)放液至恒流桶(4)其间dh为正值，

使Q_1Min≥Q

由(e)式有： $\mathrm{dh}=\frac{\mathrm{\μ}{A}_1\sqrt{2{\mathrm{gh}}_1}\mathrm{dt}}{\mathrm{\π}{r}^2}-\frac{\mathrm{Qdt}}{\mathrm{\π}{r}^2}---\left(f\right)$

dh有两项 $\frac{{\mathrm{\μA}}_1\sqrt{2{\mathrm{gh}}_1}\mathrm{dt}}{\mathrm{\π}{r}^2}---\left(g\right)$

$-\frac{\mathrm{Qdt}}{\mathrm{\π}{r}^2}---\left(h\right)$

综合(f)式，由于Q_1Min≥Q，h₁由h_1Max至h_1Min，恒流桶(4)液位h增加。h₁＝h_1Min时，两位电磁阀(6)关闭，

$Q_1=\mathrm{\μ}{A}_1\sqrt{2{\mathrm{gh}}_{1\mathrm{Min}}}=0$

则有 $\mathrm{dh}=-\frac{\mathrm{Qdt}}{\mathrm{\π}{r}^2}$

dh为负值，恒流桶(4)液位h线性下降。

图3所示了恒流桶(4)液位变化曲线。s1下液位线，s2流量大曲线，s3流量正常曲线，s4流量小曲线。

图1中智能控制器(2)控制步进电动执行器(7)精确跟踪曲线变化，回关或开大阀位，使流出流量不变。液位曲线上升周期步进电动执行器(7)阀杆位移变化率正比于(g)项的平方根，下降周期步进电动执行器(7)阀杆位移变化率正比于(h)项的平方根。

图3中s3流量正常曲线可由出厂标定获得，同时获得阀杆位移L对应时间的曲线，存储于智能控制器(2)中以备精确跟踪曲线所用。

一个曲线上升和下降周期后，根据时间t2，t3，t4判断流量控制是偏大，正常，偏小后，智能控制器修正并保存控制步进电动执行器(7)阀杆偏移量，以下次逼近正常值。如果本次正偏差，则下次修正到负偏差，如此交替并偏差值不断减小。经过动态正负不断修正使累积误差趋于零。

由于计量桶每次加液体积是恒定的，在一个曲线上升和下降周期后，根据时间t2或t3或t4计算出流量Q。

智能控制算法由图2中单片机AT89C51完成。计算的瞬时流量累积流量由液晶显示器LC1621显示，并由单片机AT89C51通过RS485通讯接口MAX485传输到上位计算机(1)显示记录存盘。

智能控制器(2)与上位计算机(1)可互相通讯。上位计算机(1)可显示计量桶(3)加放液体的次数，恒流桶(4)流出的瞬时流量，累计流量及标定曲线，修正的阀杆偏移量与流程动画画面等。

Claims (4)

1. 一种智能型体积式恒流流量计组成特征是：上位计算机(1)，智能控制器(2)，计量桶(3)，恒流桶(4)，两位电磁阀(5)(6)，步进电动执行器(7)，干簧管(9)(11)(12)，圆盘磁性浮子(8)(10)，圆盘磁性浮子导杆(13)(14)组成。

2. 由权利1智能型体积式恒流流量计其体积控制特征是：计量桶(3)，两位电磁阀(5)(6)，干簧管(11)(12)，圆盘磁性浮子(10)，圆盘磁性浮子导杆(13)组成进液恒体积控制。加液至上液位干簧管(11)位置停止加液，放液至液位干簧管(12)停止放液。如此循环。

3. 由权利1智能型体积式恒流流量计其恒流控制特征是：当计量桶(3)给恒流桶(4)加液时，恒流桶(4)液位上升，步进电动执行器(7)阀出口流量增加，步进电动执行器(7)开始逐渐回关，以保持流量不变。当计量桶(3)放液至下液位时，两位电磁阀(6)关闭，恒流桶(4)加液停止。此时，恒流桶(4)液位开始下降后，此时步进电动执行器(7)阀出口流量减少，步进电动执行器(7)阀开始逐渐打开，以保持流量不变。步进电动执行器(7)阀回关速率与打开速率与恒流桶(4)液位上升速率与下降速率平方根成正好相等，使流量控制成一条平稳的直线。

4. 由权利1智能型体积式恒流流量计其时差修正算法特征是：一个曲线上升和下降周期后，根据时间t2，t3，t4判断流量控制是偏大，正常，偏小后。智能控制器修正步进电动执行器(7)阀杆偏移量，以下次逼近正常值。如果本次正偏差，则下次修正到负偏差，如此交替并偏差值不断减小。经过动态正负不断修正使累积误差趋于零。

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