摘(zhai)要:文中以(yi)氣體渦街(jie)流量計 爲(wei)例,從流體(ti)力學的角(jiao)度分析了(le)渦街流量(liang)計測量誤(wu)差❤️産生的(de)原因,結合(he)氣體測量(liang)的特點,使(shi)用了一種(zhong)工程化的(de)解決方法(fa)。并⭕根據應(ying)用實際,給(gei)出了正确(que)的将工況(kuang)流量轉化(hua)爲标況流(liu)量的軟、硬(ying)件方案。
1引(yin)言
　　渦街流(liu)量計 又稱(cheng)卡門渦街(jie)流量計,是(shi)利用流體(ti)流過障礙(ai)物時産生(sheng)穩定的旋(xuan)渦,通過測(ce)量旋渦産(chan)生的頻率(lü)而實現對(dui)流體流量(liang)的計量。
　　渦(wo)街流量計(ji)是70年代發(fa)展起來的(de)一種新型(xing)流量測量(liang)儀表🏒。其優(you)點主要有(you):儀表内部(bu)沒有可動(dong)部件,結構(gou)簡單,使💋用(yong)壽命長;測(ce)量🔴範圍寬(kuan),--般情況量(liang)程比爲🎯1:10~1:15;儀(yi)表輸出爲(wei)頻率信号(hao)，易于實現(xian)數字化測(ce)量;适用于(yu)多種介質(zhi)測量4]。目前(qian)國内液體(ti)渦街流量(liang)計測量精(jing)度爲土1% ,氣(qi)🌂體渦銜流(liu)量🐉計爲+1.5%。這(zhe)樣的🎯精度(du)用于貿易(yi)結算計量(liang)是不能令(ling)人滿意🚶‍♀️的(de)。本文以氣(qi)體渦銜流(liu)量計爲研(yan)究對象，從(cong)流體力學(xue)的角度分(fen)析渦街流(liu)量計測量(liang)誤差産生(sheng)的原因,并(bing)給出了一(yi)種工程化(hua)的解決方(fang)法。
2渦街流(liu)量計的原(yuan)理及測量(liang)誤差産生(sheng)的原因
　　渦(wo)街流量計(ji)是基于流(liu)體力學中(zhong)著名的“卡(ka)門渦街👅”研(yan)制的。在流(liu)動的流體(ti)中放置- -非(fei)流線型柱(zhu)形體,稱🔞旋(xuan)渦發生體(ti),當流體🛀沿(yan)旋渦發生(sheng)體繞流時(shi),會在渦🌍街(jie)發生體下(xia)遊🏃‍♀️産生兩(liang)列不對稱(cheng)但有規律(lü)的交替旋(xuan)渦列,這就(jiu)是所謂的(de)卡門渦街(jie),如圖1所💋示(shi)。
 
　　大量的實(shi)驗和理論(lun)證明:穩定(ding)的渦街發(fa)生頻率ƒ與(yu)來👈流速度(du)v1及旋渦發(fa)生體的特(te)征寬度d有(you)如下确定(ding)關系叫:
 
　　式(shi)中St爲斯特(te)羅哈數,與(yu)雷諾數和(he)d相關。
　　當雷(lei)諾數Re在一(yi)定範圍内(nei)(3 X102~2 X105)時(4],St爲一常(chang)數,對于三(san)角柱形旋(xuan)⭕渦發生體(ti)約爲0.16
　　雷諾(nuo)數的定義(yi)爲
 
　　式中S爲(wei)管道的橫(heng)截面積。
　　由(you)氣體渦街(jie)流量計的(de)測量原理(li)可知,通過(guo)測量旋🔱渦(wo)💜發生頻率(lü)僅能得到(dao)旋渦發生(sheng)體附近的(de)流速vI,由式(shi)(3)可知在橫(heng)截面積一(yi)定🌈的情況(kuang)下,流體的(de)流量Q與流(liu)體的平均(jun)流🔴速v成正(zheng)⭐比,因此要(yao)正确計量(liang)流體的流(liu)量必須找(zhao)到`v與v1的對(dui)應關系♊。
　　根(gen)據流體力(li)學理論,在(zai)充分發展(zhan)的湍流狀(zhuang)态下，流體(ti)的速🥵度分(fen)☔布有如下(xia)關系式川(chuan):
 
　　式中:vp爲到(dao)管壁距離(li)爲y的P點的(de)速度;y爲點(dian)到管壁處(chu)的距🧑🏽‍🤝‍🧑🏻離;Vmax:爲(wei)管道中的(de)最大流速(su),通常取管(guan)道中心的(de)速度;R爲管(guan)道的半徑(jing);n爲雷🔆諾數(shu)的函數。
表(biao)1中給出了(le)部分雷諾(nuo)數與n的對(dui)應關系。
 
　　由(you)于旋渦發(fa)生體的位(wei)置固定,因(yin)此當雷諾(nuo)數一定時(shi)⛹🏻‍♀️v1與`v有❗固定(ding)🐅的比例關(guan)系換言之(zhi),當雷諾數(shu)Re變化時㊙️,二(er)者的比值(zhi)也發生變(bian)化㊙️，
 
　　圖3給出(chu)了不同雷(lei)諾數下充(chong)分發展的(de)湍流的流(liu)速分布,如(ru)圖所☎️示Re越(yue)大,流速分(fen)布越平滑(hua),即旋渦發(fa)生體附近(jin)的流速越(yue)接近平均(jun)流速,故ƒ( Re)應(ying)爲單調遞(di)減🔞函數。圖(tu)4給出了3台(tai)50mm口徑⁉️，寬度(du)14 mm三角形旋(xuan)🏃‍♂️渦發生體(ti)的氣體渦(wo)銜流量計(ji),在20℃,一個标(biao)準👉大氣壓(ya)下,不同雷(lei)諾🆚數下的(de)K值曲線。如(ru)圖所示‼️實(shi)驗數據與(yu)理論分析(xi)基本一緻(zhi),因此渦🔞銜(xian)流量計的(de)測㊙️量原理(li)即決定了(le)儀表系數(shu)的非線性(xing)特性。若要(yao)提高渦💯街(jie)流量計的(de)計量精度(du),必須針對(dui)不同的流(liu)速分布對(dui)K值✊進行修(xiu)正♉。
 
3标定狀(zhuang)态下K值的(de)修正
　　在20 ℃,一(yi)個标準大(da)氣壓的标(biao)定狀态下(xia),空氣的密(mi)度和粘📱度(du)爲常數,因(yin)此雷諾數(shu)僅與流體(ti)的平均流(liu)速相♉關,ƒ在(zai)平均流速(su)`v有對應關(guan)系,因此有(you)如下函數(shu)關系:
 
　　對圖(tu)4中的K值曲(qu)線研究發(fa)現,3條曲線(xian)形狀基本(ben)一緻,隻是(shi)平❗移的程(cheng)度不同。故(gu)可以爲同(tong)一口徑的(de)渦街流量(liang)計确定一(yi)條特征曲(qu)線函數G(f),同(tong)時測定每(mei)台儀表的(de)平均儀表(biao)系數`K,将二(er)者相乘即(ji)可得到該(gai)台渦街流(liu)量計🥰在不(bu)同頻率下(xia)的真⛱️實儀(yi)表系數,即(ji):K=`K.G(ƒ)
　　在實際應(ying)用中将G(ƒ) 作(zuo)爲特定的(de)子程序,生(sheng)産廠家根(gen)😄據标✂️定結(jie)果❤️置入R即(ji)可。
4工作狀(zhuang)況下的修(xiu)正
　　氣體渦(wo)銜流量計(ji)使用的工(gong)作狀況(簡(jian)稱工況)通(tong)常與标定(ding)狀态不同(tong),由于氣體(ti)的體積流(liu)量受溫度(du)、壓⛱️力的影(ying)響比較💔大(da),在實際🌐應(ying)用中通常(chang)将氣體在(zai)工🚶‍♀️況下的(de)體積折算(suan)爲标準狀(zhuang)态下(0℃,一個(ge)标準大氣(qi)壓,簡稱标(biao)況㊙️)的體積(ji)進行結算(suan)和計量,即(ji)對🌐氣體進(jin)行溫度、壓(ya)力的補償(chang)。
　　根據流體(ti)力學中的(de)雷諾數相(xiang)似原則,即(ji)當流體的(de)雷諾數相(xiang)♍等時流體(ti)的流速分(fen)布相似”。故(gu)将工況下(xia)的流動形(xing)态化🤩爲标(biao)定狀态下(xia)的流動形(xing)态,再通過(guo)标定狀态(tai)下對速度(du)分布的修(xiu)💰正得到🐇與(yu)工況相對(dui)應的标定(ding)流量,最後(hou)将正确修(xiu)正後的标(biao)定流量通(tong)過理想氣(qi)體狀态方(fang)程折💯算爲(wei)标況下的(de)流量。采取(qu)😘以上方法(fa)是由于前(qian)面提到的(de)函數G(ƒ) 必須(xu)在标定狀(zhuang)态下得到(dao),而0℃,-個标準(zhun)大氣壓的(de)标定狀态(tai)比較難得(de)到,因此采(cai)用了兩步(bu)折算的方(fang)法。
 
　　故與工(gong)況對應的(de)标定狀态(tai)下的旋渦(wo)發生體附(fu)近的
 
　　由于(yu)此方法是(shi)基于雷諾(nuo)數相似原(yuan)理進行修(xiu)正的，因此(ci)普遍适用(yong)于各種氣(qi)體在非标(biao)定狀态下(xia)的修正。
5修(xiu)正方法的(de)實現
5.1硬件(jian)電路的實(shi)現 .
　　由上面(mian)的分析可(ke)知要完成(cheng)對非标定(ding)狀态下氣(qi)體流📱量的(de)雷❤️諾數修(xiu)正,需要采(cai)集氣體的(de)溫度、壓力(li)信号,同🈲時(shi)爲了完成(cheng)複雜的修(xiu)正算法,信(xin)号處理部(bu)分采用了(le)以單片☀️機(ji)爲核心的(de)智能化系(xi)統設計。單(dan)片機爲Mi-crochip公(gong)司的PIC16F877。 16F877具有(you)8 K的FLASH程序存(cun)儲器,368字節(jie)的RAM及256字節(jie)的E2PROM，這爲複(fu)雜算法的(de)實現和♻️大(da)量數據的(de)存儲提供(gong)了良好基(ji)礎。16F877 具有片(pian)内的AD轉化(hua)器,可以簡(jian)化電路設(she)計👉,能夠方(fang)便的與溫(wen)度、壓力檢(jian)測放大電(dian)，路連接,利(li)于電路的(de)緊湊化設(she)計💃🏻,降低成(cheng)本。片上的(de)☔WATCHDOG可以保證(zheng)程序的可(ke)靠運行。此(ci)外PICI6F877的🔞端口(kou)B具有電平(ping)變化中斷(duan)的功能,此(ci)功能可以(yi)方便的實(shi)現簡單的(de)鍵盤接口(kou)電❌路。圖5爲(wei)系統🈲硬件(jian)原理框圖(tu)。
 
　　爲了滿足(zu)儀表現場(chang)顯示(即電(dian)池供電)的(de)需要,儀表(biao)在傳🌍感器(qi)🍓選擇和電(dian)路設計上(shang)都體現了(le)低功耗的(de)特 點。
5.1.1溫度(du)檢測電路(lu)
　　溫度傳感(gan)器選用了(le)溫度傳感(gan)器,該溫度(du)傳感器是(shi)基于半導(dao)體測溫原(yuan)理制成的(de)。該傳感器(qi)量程範圍(wei)較寬♋(-40~125℃ ;輸出(chu)電壓🌈信号(hao),經放⭐大後(hou)可以方便(bian)的同單片(pian)機的A/D接口(kou)連接🚩;在量(liang)程☎️範圍内(nei)有較好的(de)線性度,10 mV/ C;精(jing)度較高,在(zai)量程範圍(wei)内可達±0.5 ℃;體(ti)積較小,封(feng)裝方式爲(wei)🤩僅有3個管(guan)腳的T0-92,可以(yi)方便的與(yu)渦街流量(liang)計的表體(ti)相連。
5.1.2壓力(li)檢測電路(lu)
　　壓力傳感(gan)器采用壓(ya)阻式壓力(li)傳感器封(feng)裝在不鏽(xiu)✌️鋼外殼内(nei),不鏽鋼膜(mo)片将壓力(li)通過矽油(you)傳遞到壓(ya)力敏⭐感芯(xin)片。上從而(er)得.到成比(bi)例的線性(xing)輸出。
　　該壓(ya)力傳感器(qi)适用于中(zhong)低壓力測(ce)量，具有較(jiao)高的精度(du)和線性❄️度(du),能夠實現(xian)零位校準(zhun)和溫度補(bu)償，具有低(di)功耗特性(xing)。
　　由于該壓(ya)力傳感器(qi)爲壓阻式(shi),因此需恒(heng)流源供電(dian)🔴。爲了降低(di)系統的功(gong)耗,使用了(le)間歇供電(dian)的方案,即(ji)在要進行(hang)A/D采用時才(cai)給壓🐆力傳(chuan)感器和恒(heng)流源供電(dian)🏒。壓力傳感(gan)器的輸出(chu)信号通過(guo)減法電路(lu)得到壓力(li)🤞差,經放大(da)後供A/D采樣(yang)。
5.2軟件的實(shi)現
　　智能化(hua)系統的軟(ruan)件設計結(jie)合PIC單片機(ji)的特點采(cai)用了PIC的彙(hui)編語🌐言,采(cai)用彙編語(yu)言便于提(ti)高系統效(xiao)率,縮短程(cheng)序執行⛹🏻‍♀️時(shi)間,降低♉系(xi)統功耗。
　　爲(wei)了便于軟(ruan)件設計,主(zhu)程序分爲(wei)工作狀态(tai)和置數狀(zhuang)态，并爲其(qi)編制不同(tong)的子程序(xu)。在主程序(xu)中,通過💃标(biao)志位确定(ding)主程序所(suo)要運行的(de)子程序,不(bu)同的标志(zhi)通過不同(tong)的中斷來(lai)設置,例如(ru):1 s定時中斷(duan)将設置🐪計(ji)算标志,外(wai)部中斷🏒将(jiang)設置置數(shu)标志。這樣(yang)既保證♍了(le)系統的實(shi)時性又體(ti)現⛷️了軟件(jian)的結構化(hua)特點。工作(zuo)狀态用于(yu)對瞬時和(he)累計流量(liang)的計算和(he)顯示。圖6給(gei)出了計✔️算(suan)子程序的(de)流程圖。置(zhi)數狀态用(yong)于所選參(can)🤟數如平均(jun)儀表系🍓數(shu)`K的置入。另(ling)外由🛀于渦(wo)街流量計(ji)在小流量(liang)時易受到(dao)噪聲的幹(gan)擾,因此還(hai)增加了流(liu)量下限切(qie)除的功能(neng),流量的下(xia)限也可以(yi)通過鍵盤(pan)置入。

 
　　主程(cheng)序流程圖(tu)如圖7所示(shi)。
 
6結論
　　表2給(gei)出了标定(ding)狀态下,3台(tai)渦街流量(liang)傳感器修(xiu)正前後非(fei)線性誤差(cha)的比較結(jie)果。
 
　　本文分(fen)析了氣體(ti)渦街流量(liang)計測量誤(wu)差産生的(de)原因,并給(gei)出了一種(zhong)基于雷諾(nuo)數修正的(de)方法,用高(gao)次函數拟(ni)合🌐儀表系(xi)數K的特性(xing)曲線。通過(guo)對儀表系(xi)數😄K的非線(xian)❌性修正,提(ti)高了渦街(jie)流量計的(de)計量精度(du)。結合實際(ji)應用,通過(guo)對壓力、溫(wen)度🐆的補償(chang)得到了與(yu)工況相對(dui)應标況下(xia)的流量,方(fang)便了用戶(hu)的使用。

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