摘要:渦街流量計的儀表系數只能在較窄的范圍內保持恒定,從而制約了其測量范圍。利用儀表系數非線性修正的方法對其進行改進。實驗證明,改進后的渦街流量計,量程范圍為6.05~497.79L/h,線性度為1.111%,在保證精度的前提下可以有效的擴展量程范圍,適合在煤礦瓦斯抽放管路中使用。
0引言
治理煤礦瓦斯最直接有效的措施是對井下的瓦斯進行抽放。目前,我國煤礦瓦斯抽放管路流量的測定方法主要有孔板流量測定、均速管測定、皮托管流量測定等['1。，由于采用的原理是節流原理,人為減少抽放管道的直徑,影響抽放效果。渦街流量計因其介質適應性強、無可動部件、結構簡單、可靠性高、壓力損失小等諸多優點,應用廣泛。該流量計在正常范圍內,其儀表系數基本為一常數,但在測量小流量時表現出明顯的非線性,制約了渦街流量計測量范圍和測量精度[2]。研究發現,渦街流量計的頻率輸出信號在較寬的量程范圍內都能獲得良好的重復性。普通模擬渦街流量計確保儀表系數線性度在1%以內的量程比只能達到10:1,遠低于理論量程比100:1。為此,一種新型的渦街流量計,以使其在保證精度和線性度的前提下具有較寬的量程,特別是降低測量下限。
1渦街流量計的測量原理
渦街流量計測量的理論基礎是流體力學中著名的“卡曼渦街”原理。在流體中放置一根軸線與流向垂直的非流線型柱形體,稱之為旋渦發生體。當流體沿旋渦發生體繞流時，會在旋渦發生體下游產生兩列不對稱但有規律的交替旋渦列，這就是所謂.的卡曼渦街。大量實驗證明:在一定雷諾數范圍內，穩定的旋渦發生頻率ƒ與流經旋渦發生體兩側的平均流速υ1切之間的關系可表示為:
式中:St一斯特勞哈爾數,對一定形狀的旋渦發生體在一定雷諾數范圍內其量綱為1;
b一旋渦發生體迎流面的寬度,m;.
υ一管道內的平均流速,m/s;
A一旋渦發生體兩側弓形流通面積之和與管道的橫截面積之比;
D一管道內徑,m。.
交替地作用在旋渦發生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率,通過壓電探頭對升力變化頻率的檢測，即可得到f,再由式(1)可得體積流量為:
式中:qv一體積流量,m³/s;
K一渦街流量計的儀表系數,m-3。
由式(2)可見,渦街流量計測量流體的體積流量，主要是通過測量渦街頻率ƒ來實現的,而渦街頻率ƒ只與流速υ和發生體的幾何參數(形狀和幾何尺寸)有關，而與被測流體的特性和組分無關”。由式(3)可知,儀表系數K應為常數,但實際情況并非如此,在小流量時,儀表系數K是非線性的。
2系統硬件與儀表系數非線性修正方法
2.1系統硬件
系統的整體硬件結構見圖1。整體硬件結構可以分為以下幾個部分:檢測復合信號和振動信號的“三線共地型”壓電探頭傳感器以及后續處理電路;為系統各模塊提供電源的電源電路;壓力傳感器的溫度、壓力檢測電路及后續調理電路;上、下位機通訊的SCI通訊模塊電路;各種現場實時參數顯示的液晶顯示電路;各種掉電數據保存的鐵電存儲FRAM電路;掉電時間計算的DS1302時間電路;現場用戶翻頁選擇的按鍵輸人電路以及脈沖輸出電路;采用MSP430單片機的微處理器。
2.2非線性儀表系數修正
隨著工業技術的發展和進步,對寬量程、精度高渦街流量計的需求日漸迫切,各種儀表系數非線性修正方法和應用相繼出現。最早出現的是采用硬件電路進行修正。該方法穩定可靠,但只適用于單調上升(或下降)的曲線形狀!5]。由于電子技術特別是單片機技術的迅猛發展,這一問題得到了更好的解決。由實際標定的結果可以回歸為儀表系數與頻率函數關系式,并將表達式存人單片機系統的程序存儲器中。測量傳感器信號頻率,根據函數表達式計算出此時的儀表系數,從而實現儀表非線性修正。相關公式如下:
平均儀表系數`K:
式中:Kij一第i個檢測點第j次檢測的儀表系數。修正方法的實現過程:
(1)通過水流量標準裝置測量K-Qv曲線中的特征點。每個流量點測量三次,相同時間t內每次脈沖為N1、N2和N3計算頻率后,采用三次樣條[6)擬合,繪制K-Qv特征曲線。理論上測量點越多越正確。頻率計算式為ƒ=(N1+N2+N3)/3t。(2)計算渦街流量計特征曲線的平均值K,按精度要求計算Kmin和Kmax。對于氣體渦街流量計,線性誤差E1=0.015。所以,Kmin=K-KE1/2,Kmax=K+KE1/2。
(3)計算需要修正的頻率段。在待修正頻率段內選擇步長t=0.015Hz,每隔l計算K,每-一個ƒi對應一個Ki。由ƒi/Ki=ƒimin/Knin=fimax/Kmax=qvi計算每個ƒi將被修正成的ƒimax和ƒimin。.
(4)將有交集的ƒimax-ƒimin合并,即將相鄰ƒi都修正為同一個ƒi。ƒj只要在ƒimax和ƒimin之間就能夠滿足線性度要求,從而完成優化。
3實驗結果
為驗證改進后的渦街流量計工作效果,將DN100口徑的渦街流量計用于標準水裝置上進行實流實驗。表1為改進前的實驗數據,該渦街流量計量程范圍在34.9~497.7L/h,其線性度為E1=.1.121%。流量在5.6~34.9L/h是非線性的,但具有較好的重復性,需要進行非線性修正。
根據文中提出的修正方法,得到圖2的擬合曲線和改進后的實驗數據表2
由表2可見,修正后的量程范圍Q為6.05~497.79L/h,線性度為E1=1.111%,滿足氣體渦街流量計的要求，且量程范圍擴大。
4結束語
一種基于單片機MSP430的渦街流量計,利用儀表系數非線性修正法對其進行修正,擴大了其測量的量程范圍。該方法實現簡單.功耗低,效果明顯,適合在煤礦瓦斯抽放管路中應用且可以推廣到其他行業領域。
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