摘要(yào):文中以氣體渦(wō)街流量計 爲例(lì),從流體力學的(de)角度分析了渦(wo)街流量計測量(liang)誤差産生🔞的🙇‍♀️原(yuan)因,結合氣體測(ce)量的特點,使用(yong)了一種工程化(hua)的解決方法。并(bing)根據應用實際(ji),給出了正确的(de)将工況流🐪量轉(zhuan)化爲标況⁉️流量(liang)的軟、硬件方案(an)♋。
1引言
　　渦街流量(liàng)計 又稱卡門渦(wō)街流量計,是利(li)用流體流過障(zhang)礙物時産生🤟穩(wěn)定的旋渦,通過(guò)測量旋渦産生(sheng)的頻率而實🤩現(xiàn)對流體流量的(de)計量。
　　渦街流量(liang)計是70年代發展(zhan)起來的一種新(xin)型流量測量儀(yi)表。其優點主要(yào)有:儀表内部沒(méi)有可動部件,結(jie)♋構簡單,使用壽(shòu)命長;測量範圍(wei)寬,--般情況量程(chéng)比爲1:10~1:15;儀表輸出(chū)爲頻率信号，易(yì)于實現數字化(huà)測量;适用于多(duō)種介質測量4]。目(mu)前國内液體渦(wō)街流量計測量(liàng)精度爲土1% ,氣🈚體(ti)渦銜流量計爲(wèi)+1.5%。這樣的精度用(yòng)于貿易結算計(jì)量是不能令人(ren)滿意的。本文以(yǐ)氣體渦銜流量(liàng)計爲研究對象(xiàng)，從流體力學的(de)角度分析渦街(jie)❤️流✂️量計測量誤(wù)差産♈生的原因(yin),并給出了一種(zhǒng)工程化的解決(jue)📧方法。
2渦街流量(liang)計的原理及測(ce)量誤差産生的(de)原因
　　渦街流量(liàng)計是基于流體(ti)力學中著名的(de)“卡門渦街”研制(zhi)的。在流動的流(liu)體中放置- -非流(liu)線型柱形體,稱(cheng)旋渦發生體,當(dang)流體沿旋渦發(fā)生體繞流時,會(huì)在渦街發生體(ti)下遊産生兩列(lie)不對稱但有規(guī)律的交替旋渦(wo)列,這⁉️就是所謂(wèi)的卡門渦街,如(ru)圖1所示。
 
　　大量的(de)實驗和理論證(zhèng)明:穩定的渦街(jiē)發生頻率ƒ與來(lái)流速度v1及旋渦(wō)發生體的特征(zhēng)寬度d有如下确(que)定⭐關系叫:
 
　　式中(zhōng)St爲斯特羅哈數(shù),與雷諾數和d相(xiàng)關。
　　當雷諾數Re在(zai)一定範圍内(3 X102~2 X105)時(shí)(4],St爲一常數,對于(yu)三角柱形💃旋🈲渦(wo)發♌生體約爲0.16
　　雷(léi)諾數的定義爲(wei)
 
　　式中S爲管道的(de)橫截面積。
　　由氣(qì)體渦街流量計(jì)的測量原理可(ke)知,通過測量旋(xuan)渦📐發生頻率僅(jin)能得到旋渦發(fa)生體附近的流(liu)速vI,由式(3)可知在(zài)橫截面積🔞一定(ding)😄的情況下,流體(ti)的流量Q與流體(tǐ)的♍平均流速v成(chéng)正比,因此要正(zheng)确計量流體的(de)流量必須找到(dào)`v與v1的對應關系(xi)。
　　根據流體力學(xué)理論,在充分發(fa)展的湍流狀态(tài)下，流體🚶的速度(du)分布有如下關(guan)系式川:
 
　　式中:vp爲(wei)到管壁距離爲(wei)y的P點的速度;y爲(wèi)點到管壁處的(de)距離🥵;Vmax:爲管道中(zhong)的最大流速,通(tong)常取管道中心(xīn)的速度;R爲管道(dao)的🥵半徑;n爲雷諾(nuo)數的函數。
表1中(zhōng)給出了部分雷(léi)諾數與n的對應(ying)關系。
 
　　由于旋渦(wo)發生體的位置(zhi)固定,因此當雷(léi)諾數一定時🚶v1與(yu)🛀🏻`v有固定的比例(lì)關系換言之,當(dang)雷諾數Re變化時(shi)😄,二者的比值也(yě)發生變化，
 
　　圖3給(gěi)出了不同雷諾(nuò)數下充分發展(zhǎn)的湍流的流速(sù)分布,如圖所示(shi)Re越大,流速分布(bu)越平滑,即旋渦(wō)發生體附近的(de)流速🍉越接近平(ping)均流速,故ƒ( Re)應爲(wei)單調遞減函數(shu)。圖🔱4給出了3台50mm口(kou)徑💯，寬度14 mm三角形(xíng)旋渦發生體的(de)氣體渦銜🌈流量(liang)計,在20℃,一個标準(zhun)大氣壓下,不同(tong)雷諾數下的K值(zhi)曲線。如圖所示(shi)實驗數據與理(lǐ)論分析基🏃‍♂️本一(yi)緻,因此渦銜流(liu)量計的測量原(yuan)理即決定了儀(yi)表系數的非線(xiàn)性特性。若要提(tí)高渦街流量計(ji)的計量精度,必(bì)須針對不✊同的(de)流速分布對K值(zhí)進行修正。
 
3标定(dìng)狀态下K值的修(xiū)正
　　在20 ℃,一個标準(zhun)大氣壓的标定(dìng)狀态下,空氣的(de)密度和粘度爲(wèi)🌈常數🈲,因此雷諾(nuò)數僅與流體的(de)平均流速相關(guān),ƒ在平均㊙️流速`v有(you)對應關系,因此(ci)有如下函數關(guan)系:
 
　　對圖4中的K值(zhi)曲線研究發現(xian),3條曲線形狀基(jī)本一緻,隻是平(píng)✏️移的程度不同(tong)。故可以爲同一(yī)口徑的渦街流(liu)量計确定一條(tiao)特征曲線函數(shù)G(f),同時測定每台(tai)儀表的平均儀(yi)表♍系數`K,将二者(zhě)相乘即可得到(dào)該台渦街流量(liang)計在不同頻率(lǜ)下的真實儀表(biao)系數,即:K=`K.G(ƒ)
　　在實際(ji)應用中将G(ƒ) 作爲(wei)特定的子程序(xu),生産廠家根據(ju)标定結果置入(ru)R即可。
4工作狀況(kuàng)下的修正
　　氣體(tǐ)渦銜流量計使(shi)用的工作狀況(kuang)(簡稱工況)通常(cháng)與标🔞定狀态不(bu)同,由于氣體的(de)體積流量受溫(wēn)度、壓力的影響(xiǎng)比較大,在實際(ji)應用中通常将(jiang)氣體在工況下(xià)的體積折🌈算爲(wèi)标準狀态下(0℃,一(yī)個🌈标準大氣壓(yā),簡稱标況)的體(ti)積進行結算和(he)計量,即對氣體(tǐ)進行溫度、壓力(lì)的補償。
　　根據流(liú)體力學中的雷(lei)諾數相似原則(ze),即當流體的雷(lei)諾數相等時流(liú)體的流速分布(bù)相似”。故将工況(kuang)下的流🐕動形态(tài)化爲标定狀态(tài)下的流動形态(tai),再通過标定狀(zhuang)态下對速度分(fèn)布的修正得到(dào)與工況相對應(ying)的标定🐪流量,最(zui)後🔞将正确修🔴正(zhèng)後的标🏃🏻‍♂️定流量(liàng)通過理想氣體(tǐ)狀态方程折算(suàn)爲标況下🐪的流(liu)量。采取以上方(fang)法是由于前面(miàn)提到的👉函數G(ƒ) 必(bì)須在标定狀态(tai)下得到🚶,而0℃,-個标(biao)準大氣壓的标(biāo)定狀态比較難(nán)得到👄,因此采用(yong)了兩步折算的(de)方法。
 
　　故與工況(kuang)對應的标定狀(zhuàng)态下的旋渦發(fa)生體附近的✉️
 
　　由(yóu)于此方法是基(jī)于雷諾數相似(sì)原理進行修正(zhèng)的，因此普遍适(shì)用于各種氣體(tǐ)在非标定狀态(tai)下的修正。
5修正(zheng)方法的實現
5.1硬(ying)件電路的實現(xian) .
　　由上面的分析(xī)可知要完成對(dui)非标定狀态下(xià)氣體流量的雷(léi)💰諾數修正,需要(yào)采集氣體的溫(wen)度、壓力信🥵号,同(tong)時爲了完成複(fu)雜的修正算法(fa),信号處理部分(fen)采用了以單片(pian)機爲核心的智(zhi)能化系統設計(ji)。單片機爲Mi-crochip公司(sī)📱的PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序(xu)存儲🧡器,368字節的(de)⛱️RAM及256字節的E2PROM，這爲(wei)複雜算法的實(shí)現和⭕大量數據(ju)的存儲提供了(le)良好基礎。16F877 具㊙️有(yǒu)片内的AD轉化器(qì),可以簡化電路(lu)設計,能夠方便(biàn)的與溫度、壓力(lì)檢測放大電，路(lu)連接,利于電路(lù)的緊湊化設計(jì),降低成本。片上(shàng)的WATCHDOG可🐇以保證程(chéng)序的可靠運行(hang)。此外PICI6F877的端口B具(ju)有電平變化中(zhong)斷的功能,此功(gong)能可以方便的(de)實現簡單的鍵(jian)盤接口電🔞路。圖(tu)5爲系統硬件原(yuan)理框圖。
 
　　爲了滿(mǎn)足儀表現場顯(xiǎn)示(即電池供電(dian))的需要,儀表在(zai)傳感器⭕選擇和(he)電路設計上都(dōu)體現了低功耗(hào)的特 點。
5.1.1溫度檢(jiǎn)測電路
　　溫度傳(chuan)感器選用了溫(wen)度傳感器,該溫(wēn)度傳感器是基(jī)于半導體測溫(wen)原理制成的。該(gāi)傳感器量程範(fàn)圍較寬💛(-40~125℃ ;輸出電(dian)壓信号,經放大(da)後可以方便的(de)同單片📐機的A/D接(jie)❤️口連接;在量程(cheng)範圍内有較好(hǎo)的線性度,10 mV/ C;精度(du)較高,在🙇‍♀️量程範(fan)圍😘内可達±0.5 ℃;體積(ji)較小,封裝方式(shi)爲僅有3個管腳(jiǎo)的T0-92,可以方便的(de)與渦街流量計(jì)的表體相連。
5.1.2壓(yā)力檢測電路
　　壓(ya)力傳感器采用(yòng)壓阻式壓力傳(chuan)感器封裝在不(bu)鏽鋼外殼🚶‍♀️内,不(bú)🌈鏽鋼膜片将壓(ya)力通過矽油傳(chuan)遞到壓力敏感(gǎn)芯片。上從而得(dé).到✌️成比例的線(xiàn)性輸出。
　　該壓力(lì)傳感器适用于(yú)中低壓力測量(liang)，具有較高的精(jīng)度🥰和線🔆性🤞度,能(néng)夠實現零位校(xiào)準和溫度補償(chang)，具有低功耗特(tè)性。
　　由于該壓力(lì)傳感器爲壓阻(zu)式,因此需恒流(liú)源供電。爲了降(jiàng)低系統的功耗(hao),使用了間歇供(gòng)電的方案,即在(zài)要進行A/D采用✂️時(shi)才給壓力傳感(gǎn)器和恒流源供(gòng)電‼️。壓力傳感器(qi)的輸出信号通(tōng)過減法電路得(dé)到壓力差,經放(fàng)大後供A/D采樣。
5.2軟(ruǎn)件的實現
　　智能(neng)化系統的軟件(jian)設計結合PIC單片(pian)機的特點采用(yòng)了PIC的彙編語言(yan),采用彙編語言(yán)便于提高系統(tǒng)效率🔞,縮短程序(xu)執行時間,降低(di)系統功耗。
　　爲了(le)便于軟件設計(ji),主程序分爲工(gōng)作狀态和置數(shu)狀🙇🏻态，并🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲其編(biān)制不同的子程(chéng)序。在主程序中(zhōng),通過标志位确(que)定主程序所要(yào)運行的子程序(xu),不同的标👌志通(tong)過🐅不同的中斷(duàn)來設置,例如:1 s定(ding)時中斷将設置(zhì)計算标志,外部(bu)中斷将設置置(zhì)數标志。這樣既(jì)保證了系統的(de)實時性又體現(xian)了軟件的結構(gou)化特點。工🐆作狀(zhuang)态用于對瞬時(shi)和累計流量的(de)計算和顯示。圖(tú)6給出了計🐆算子(zǐ)程序的流❌程圖(tú)。置數狀态用于(yú)所選參數如平(píng)均儀表系數`K的(de)置入。另外由于(yú)渦街流量計在(zai)小流量時易受(shou)到噪聲的幹擾(rao),因此還增🌈加了(le)🔴流量下限切除(chú)的🐪功能,流量的(de)下限也可以通(tong)過鍵♋盤置入。

 
　　主(zhǔ)程序流程圖如(rú)圖7所示。
 
6結論
　　表(biao)2給出了标定狀(zhuàng)态下,3台渦街流(liú)量傳感器修正(zheng)前🍉後非☁️線性誤(wu)差的比較結果(guǒ)。
 
　　本文分析了氣(qì)體渦街流量計(jì)測量誤差産生(shēng)的原因,并給🌈出(chu)了一種基于雷(léi)諾數修正的方(fāng)法,用高次🙇‍♀️函數(shù)拟合儀表系數(shù)K的特性曲線。通(tong)過對儀表系數(shu)K的非線性修正(zhèng),提高了渦街流(liu)量計的💯計量精(jing)度。結合實際應(yīng)用,通過對壓力(lì)、溫度的補償得(de)到了與工況相(xiàng)對應标♍況下的(de)流量✏️,方便了用(yòng)戶的使用。

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