摘要:通過對渦街流量計的儀表常數隨著流速的變化而略有起伏這個規律的觀察與總結,建立數學模型,并根據這個數學模型,可以在不同的流速段對儀表常數做適當的補償,可以提高渦街流量計的計算精度。該方案通過單片機809C51實現。
1引言
根據多年的應用經驗以及大量的現場數據,我們發現渦街流量計的儀表常數與流體的流速存在一定的關系,本文通過尋找渦街流量計儀表常數與流體流速的關系，建立了兩者的數學模型,在流量計算時對它進行補償,提高了計算精度。
1.1渦街流量計的工作原理
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一-種流.體振蕩性流量計,即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發生體),就會在其下流兩側產生兩列有規律的漩渦,即卡門渦街其漩渦頻率正比于流體速度:
式中:F一旋渦頻率;d一漩渦發生體寬度;u一流體速度;St一斯特勞哈爾數。
St的值與漩渦發生體寬度d和雷諾數Re有關。當Re<2x104時,S,為變數:當Re在2x104~7x106的范圍內,St值基本上保持不變。
上式表明,當d和St為定值時,漩渦產生的頻率F與流體的平均流速u成正比，利用這-特性制成了渦街流量計。
1.2渦街流量計的特點
(1)輸出的信號是與流速成正比的脈沖信號，便于數據處理和計算機聯網。
(2)量程范圍寬,精度高。
(3)無可動部件，可靠性較高,結構簡單，便于安裝維修。
(4)檢測元件與被測介質不直接接觸,不受流體的化學性質影響,應用范圍寬，壽命長。
(5)抗干擾能力強,容易進行流量計算,不受流，體物理性質的影響,給儀表的標定和使用帶來了方便。
2誤差的產生及補償
2.1非線性誤差的產生
由于渦街傳感器所測的并不是平均流速,而是漩渦發生體兩側的流速。對于湍流狀態,不同的雷諾數下,流速分布規律是不同的,即不同的流速下具有不同的流速分布,進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發生體兩側的流速,與管道平均流速的關系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時,先繪出傳感器的儀表常數與流體流速的試驗曲線,據此得到不同流速段的實際儀表常數。本文應用MCS-51單片機系列的89C51將試驗曲線事先固化于流量計的EPROM中,用戶結合現場具體工作情況通過鍵盤輸人平均儀表常數Kp的值(Kp=(Kmax+Kmin)/2),實現了渦街傳感器的非線性修正。
2.2儀表常數與流體流速的關系及分段補償
我們知道渦街流量計頻率與流量成正比,理論上講,渦街流量計輸出頻率與流速成正比,也就是說儀表常數恒定。實際上,由于流量計本身的因素導致兩者之間存在一定程度的非線性誤差。鑒此,我們做出了一條儀表常數與流速的實驗關系曲線,如圖1所示。圖中各點坐標分別為A(Vmin,1.0049Kp),B(15%Vmax,0.997Kp),C(30%Vmax0.992853Kp),D(50%Vmax,0.94883Kp),E(75%Vmax,Kp),F(Vmax,Kp)。
針對這種誤差規律,我們采取分段補償的方式進行誤差修正。由圖1可以看出,隨著流速的降低，曲線偏離平均值越大,對此我們采用的方法可以達到兩個目的:
(1)無論偏差值多大,只要它有規律可循,就可補償修正,還可以把流量的下限即Vmin在坐標上向左移動,即擴大傳感器的量程。.
(2)根據精度要求合理劃分區間，在誤差大的低流速區間線段取密一些,在誤差小的高流速區間可適當將區間放寬。
為了滿足修正后非線性誤差在0.3%以下的要求，我們根據理論分析和曲線規律,分別在12%Vmax、60%Vmax處增加兩點(見圖2),坐標分別為G(12%Vmax,Kp),H(60%Vmax,0.998Kp)。理由:①Vmin/Vmax=8%~9%;②DE曲線間無拐點且下凹;③AB曲線間無拐點且下凹。這樣，把整個流速范圍分成了六段,如表1。這樣處理后,可修正非線性誤差在0.3%以下。
2.3補償后非線性誤差計算及驗證
表2為補償后各段儀表常數的非線性誤差計算值。
下面用某廠生產口徑為Dg80的渦街流量計為例驗證補償效果(產品編號:04150)。
表3為原始檢測數據。
平均儀表常數:
Kp=(Kmax+Kmin)/2=2132.4305
非線性誤差:
δ=(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin)x100%=0.62%
表4為補償后的各段儀表常數以及非線性誤差計算值。由此可見,補償后精度得到了提高。
2.4計算流量
瞬時流量計算公式:
Q=qvt
式中:fi、Ki-----第i頻率段的漩渦分離頻率和相應的儀表常數;t---累計時間。
3系統的實現
3.1系統可以實現的功能
(1)以89C51為核心元件,X25045存儲數據。
(2)采用82C79單片機，可以同時顯示瞬時流量(4位)以及累積流量(6位+2位冪數),其顯示單位為體積流量。
(3)具有掉電檢測、保護功能(HT7044監測電壓),掉電后數據存人X25045中。
(4)具有看門狗功能。
(5)采用鍵盤輸人,輸入內容包括:儀表常數、瞬時流量上限、瞬時流量下限等。
3.2主要程序模塊
(1)主程序。
(2)定時器中斷服務程序。
(3)鍵盤中斷處理子程序。
(4)掉電處理子程序。
(5)25045讀/寫狀態寄存器子程序。
(6)瞬時流量計算程序SSJS。
(7)累積流量計算程序LJJS。
(8)量程判別子程序CSDS。
4結束語
用單片機89C51驗證了誤差補償的數學模型，并實現了高精度智能渦街流量積算儀的設計，通過對儀表常數的修正使系統的精度有很大的提高，可以使渦街流量積算儀達到0.5級標準。采用89C51單片機使系統的穩定性和快速性都得到了提高,82C79專用的鍵盤顯示接口芯片,代替單片機完成鍵盤和顯示器的許多接口操作，X25045可以將數據實時存儲起來。系統軟硬件設計合理、可行,具有工程實用價值。
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