摘要:文中以氣體渦街流量計為例,從流體力學(xué)的角度分析了渦街流量計測量誤差產(chǎn)生的原因,結(jié)合氣體測量的特點,使用了一種工程化的解決方法。并根據(jù)應(yīng)用實際,給出了正確的將工況流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)況流量的軟、硬件方案。
1引言
渦街流量計又稱卡門渦街流量計,是利用流體流過障礙物時產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦,通過測量旋渦產(chǎn)生的頻率而實現(xiàn)對流體流量的計量。
渦街流量計是70年代發(fā)展起來的一種新型流量測量儀表。其優(yōu)點主要有:儀表內(nèi)部沒有可動部件,結(jié)構(gòu)簡單,使用壽命長;測量范圍寬,--般情況量程比為1:10~1:15;儀表輸出為頻率信號，易于實現(xiàn)數(shù)字化測量;適用于多種介質(zhì)測量4]。目前國內(nèi)液體渦街流量計測量精度為土1% ,氣體渦銜流量計為+1.5%。這樣的精度用于貿(mào)易結(jié)算計量是不能令人滿意的。本文以氣體渦銜流量計為研究對象，從流體力學(xué)的角度分析渦街流量計測量誤差產(chǎn)生的原因,并給出了一種工程化的解決方法。
2渦街流量計的原理及測量誤差產(chǎn)生的原因
渦街流量計是基于流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”研制的。在流動的流體中放置- -非流線型柱形體,稱旋渦發(fā)生體,當(dāng)流體沿旋渦發(fā)生體繞流時,會在渦街發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對稱但有規(guī)律的交替旋渦列,這就是所謂的卡門渦街,如圖1所示。
大量的實驗和理論證明:穩(wěn)定的渦街發(fā)生頻率ƒ與來流速度v1及旋渦發(fā)生體的特征寬度d有如下確定關(guān)系叫:
式中St為斯特羅哈數(shù),與雷諾數(shù)和d相關(guān)。
當(dāng)雷諾數(shù)Re在一定范圍內(nèi)(3 X102~2 X105)時(4],St為一常數(shù),對于三角柱形旋渦發(fā)生體約為0.16
雷諾數(shù)的定義為
式中S為管道的橫截面積。
由氣體渦街流量計的測量原理可知,通過測量旋渦發(fā)生頻率僅能得到旋渦發(fā)生體附近的流速vI,由式(3)可知在橫截面積一定的情況下,流體的流量Q與流體的平均流速v成正比,因此要正確計量流體的流量必須找到`v與v1的對應(yīng)關(guān)系。
根據(jù)流體力學(xué)理論,在充分發(fā)展的湍流狀態(tài)下，流體的速度分布有如下關(guān)系式川:
式中:vp為到管壁距離為y的P點的速度;y為點到管壁處的距離;Vmax:為管道中的最大流速,通常取管道中心的速度;R為管道的半徑;n為雷諾數(shù)的函數(shù)。
表1中給出了部分雷諾數(shù)與n的對應(yīng)關(guān)系。
由于旋渦發(fā)生體的位置固定,因此當(dāng)雷諾數(shù)一定時v1與`v有固定的比例關(guān)系換言之,當(dāng)雷諾數(shù)Re變化時,二者的比值也發(fā)生變化，
圖3給出了不同雷諾數(shù)下充分發(fā)展的湍流的流速分布,如圖所示Re越大,流速分布越平滑,即旋渦發(fā)生體附近的流速越接近平均流速,故ƒ( Re)應(yīng)為單調(diào)遞減函數(shù)。圖4給出了3臺50mm口徑，寬度14 mm三角形旋渦發(fā)生體的氣體渦銜流量計,在20℃,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,不同雷諾數(shù)下的K值曲線。如圖所示實驗數(shù)據(jù)與理論分析基本一致,因此渦銜流量計的測量原理即決定了儀表系數(shù)的非線性特性。若要提高渦街流量計的計量精度,必須針對不同的流速分布對K值進(jìn)行修正。
3標(biāo)定狀態(tài)下K值的修正
在20 ℃,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)定狀態(tài)下,空氣的密度和粘度為常數(shù),因此雷諾數(shù)僅與流體的平均流速相關(guān),ƒ在平均流速`v有對應(yīng)關(guān)系,因此有如下函數(shù)關(guān)系:
對圖4中的K值曲線研究發(fā)現(xiàn),3條曲線形狀基本一致,只是平移的程度不同。故可以為同一口徑的渦街流量計確定一條特征曲線函數(shù)G(f),同時測定每臺儀表的平均儀表系數(shù)`K,將二者相乘即可得到該臺渦街流量計在不同頻率下的真實儀表系數(shù),即:K=`K.G(ƒ)
在實際應(yīng)用中將G(ƒ) 作為特定的子程序,生產(chǎn)廠家根據(jù)標(biāo)定結(jié)果置入R即可。
4工作狀況下的修正
氣體渦銜流量計使用的工作狀況(簡稱工況)通常與標(biāo)定狀態(tài)不同,由于氣體的體積流量受溫度、壓力的影響比較大,在實際應(yīng)用中通常將氣體在工況下的體積折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,簡稱標(biāo)況)的體積進(jìn)行結(jié)算和計量,即對氣體進(jìn)行溫度、壓力的補(bǔ)償。
根據(jù)流體力學(xué)中的雷諾數(shù)相似原則,即當(dāng)流體的雷諾數(shù)相等時流體的流速分布相似”。故將工況下的流動形態(tài)化為標(biāo)定狀態(tài)下的流動形態(tài),再通過標(biāo)定狀態(tài)下對速度分布的修正得到與工況相對應(yīng)的標(biāo)定流量,最后將正確修正后的標(biāo)定流量通過理想氣體狀態(tài)方程折算為標(biāo)況下的流量。采取以上方法是由于前面提到的函數(shù)G(ƒ) 必須在標(biāo)定狀態(tài)下得到,而0℃,-個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)定狀態(tài)比較難得到,因此采用了兩步折算的方法。
故與工況對應(yīng)的標(biāo)定狀態(tài)下的旋渦發(fā)生體附近的
由于此方法是基于雷諾數(shù)相似原理進(jìn)行修正的，因此普遍適用于各種氣體在非標(biāo)定狀態(tài)下的修正。
5修正方法的實現(xiàn)
5.1硬件電路的實現(xiàn) .
由上面的分析可知要完成對非標(biāo)定狀態(tài)下氣體流量的雷諾數(shù)修正,需要采集氣體的溫度、壓力信號,同時為了完成復(fù)雜的修正算法,信號處理部分采用了以單片機(jī)為核心的智能化系統(tǒng)設(shè)計。單片機(jī)為Mi-crochip公司的PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序存儲器,368字節(jié)的RAM及256字節(jié)的E2PROM，這為復(fù)雜算法的實現(xiàn)和大量數(shù)據(jù)的存儲提供了良好基礎(chǔ)。16F877 具有片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)化器,可以簡化電路設(shè)計,能夠方便的與溫度、壓力檢測放大電，路連接,利于電路的緊湊化設(shè)計,降低成本。片上的WATCHDOG可以保證程序的可靠運行。此外PICI6F877的端口B具有電平變化中斷的功能,此功能可以方便的實現(xiàn)簡單的鍵盤接口電路。圖5為系統(tǒng)硬件原理框圖。
為了滿足儀表現(xiàn)場顯示(即電池供電)的需要,儀表在傳感器選擇和電路設(shè)計上都體現(xiàn)了低功耗的特 點。
5.1.1溫度檢測電路
溫度傳感器選用了溫度傳感器,該溫度傳感器是基于半導(dǎo)體測溫原理制成的。該傳感器量程范圍較寬(-40~125℃ ;輸出電壓信號,經(jīng)放大后可以方便的同單片機(jī)的A/D接口連接;在量程范圍內(nèi)有較好的線性度,10 mV/ C;精度較高,在量程范圍內(nèi)可達(dá)±0.5 ℃;體積較小,封裝方式為僅有3個管腳的T0-92,可以方便的與渦街流量計的表體相連。
5.1.2壓力檢測電路
壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器封裝在不銹鋼外殼內(nèi),不銹鋼膜片將壓力通過硅油傳遞到壓力敏感芯片。上從而得.到成比例的線性輸出。
該壓力傳感器適用于中低壓力測量，具有較高的精度和線性度,能夠?qū)崿F(xiàn)零位校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，具有低功耗特性。
由于該壓力傳感器為壓阻式,因此需恒流源供電。為了降低系統(tǒng)的功耗,使用了間歇供電的方案,即在要進(jìn)行A/D采用時才給壓力傳感器和恒流源供電。壓力傳感器的輸出信號通過減法電路得到壓力差,經(jīng)放大后供A/D采樣。
5.2軟件的實現(xiàn)
智能化系統(tǒng)的軟件設(shè)計結(jié)合PIC單片機(jī)的特點采用了PIC的匯編語言,采用匯編語言便于提高系統(tǒng)效率,縮短程序執(zhí)行時間,降低系統(tǒng)功耗。
為了便于軟件設(shè)計,主程序分為工作狀態(tài)和置數(shù)狀態(tài)，并為其編制不同的子程序。在主程序中,通過標(biāo)志位確定主程序所要運行的子程序,不同的標(biāo)志通過不同的中斷來設(shè)置,例如:1 s定時中斷將設(shè)置計算標(biāo)志,外部中斷將設(shè)置置數(shù)標(biāo)志。這樣既保證了系統(tǒng)的實時性又體現(xiàn)了軟件的結(jié)構(gòu)化特點。工作狀態(tài)用于對瞬時和累計流量的計算和顯示。圖6給出了計算子程序的流程圖。置數(shù)狀態(tài)用于所選參數(shù)如平均儀表系數(shù)`K的置入。另外由于渦街流量計在小流量時易受到噪聲的干擾,因此還增加了流量下限切除的功能,流量的下限也可以通過鍵盤置入。
主程序流程圖如圖7所示。
6結(jié)論
表2給出了標(biāo)定狀態(tài)下,3臺渦街流量傳感器修正前后非線性誤差的比較結(jié)果。
本文分析了氣體渦街流量計測量誤差產(chǎn)生的原因,并給出了一種基于雷諾數(shù)修正的方法,用高次函數(shù)擬合儀表系數(shù)K的特性曲線。通過對儀表系數(shù)K的非線性修正,提高了渦街流量計的計量精度。結(jié)合實際應(yīng)用,通過對壓力、溫度的補(bǔ)償?shù)玫搅伺c工況相對應(yīng)標(biāo)況下的流量,方便了用戶的使用。
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