摘要:文(wen)中以氣體渦(wo)街流量計 爲(wèi)例,從流體力(lì)學的角度分(fen)析了渦街流(liu)量計測量誤(wù)差⛱️産生的原(yuán)因,結合氣體(ti)測量的特點(diǎn),使用了一🥰種(zhong)工程化的解(jie)決方法。并根(gēn)據應用實際(ji),給出了正确(que)的将工況流(liú)量轉化🐇爲标(biāo)況流量的軟(ruǎn)、硬件方案。
1引(yǐn)言
　　渦街流量(liang)計 又稱卡門(men)渦街流量計(jì),是利用流體(tǐ)流過障礙物(wù)時産生穩定(dìng)的旋渦,通過(guo)測量旋渦産(chan)生的頻率而(er)實現對☀️流體(ti)流量⭕的計量(liàng)。
　　渦街流量計(jì)是70年代發展(zhan)起來的一種(zhong)新型流量測(cè)量儀表👄。其優(you)點主要有:儀(yi)表内部沒有(you)可動部件,結(jie)構簡單,使用(yòng)壽命長;測量(liàng)☔範圍寬,--般情(qíng)況量程比爲(wèi)1:10~1:15;儀表輸出爲(wèi)頻率信号，易(yi)于實現數字(zì)化測量;适用(yòng)于多種介質(zhi)測量4]。目前國(guó)内液體渦街(jie)流量計測量(liàng)精度爲土1% ,氣(qì)體渦銜流量(liàng)計爲+1.5%。這樣的(de)精度用于貿(mao)易結算計量(liang)㊙️是🌐不能令人(ren)滿意的。本文(wen)以氣體渦銜(xian)流量計爲研(yan)究對象，從流(liú)體力學的角(jiǎo)度分析渦街(jiē)流量計測量(liang)誤差産💁生的(de)原因,并給出(chu)了一種工程(cheng)化的解決方(fāng)法。
2渦街流量(liàng)計的原理及(jí)測量誤差産(chan)生的原因
　　渦(wō)街流量計是(shì)基于流體力(lì)學中著名的(de)“卡門渦街”研(yán)制的。在流動(dòng)的流體中放(fàng)置- -非流線型(xing)柱形體,稱旋(xuán)渦發生體,當(dang)流體沿旋🌏渦(wo)發生體繞流(liú)時,會在渦街(jiē)發生體下遊(you)産生兩列不(bu)對稱但有規(guī)律的交替旋(xuan)渦列,這就是(shì)所謂的卡門(mén)渦👨‍❤️‍👨街,如圖1所(suǒ)示。
 
　　大量的實(shí)驗和理論證(zheng)明:穩定的渦(wō)街發生頻率(lǜ)ƒ與來流速度(du)v1及🌏旋渦發生(shēng)體的特征寬(kuan)度d有如下确(què)定關系叫:
 
　　式(shi)中St爲斯特羅(luo)哈數,與雷諾(nuo)數和d相關。
　　當(dāng)雷諾數Re在一(yi)定範圍内(3 X102~2 X105)時(shí)(4],St爲一常數,對(duì)于三角柱形(xíng)旋渦🔅發生體(tǐ)約爲0.16
　　雷諾數(shu)的定義爲
 
　　式(shì)中S爲管道的(de)橫截面積。
　　由(you)氣體渦街流(liu)量計的測量(liàng)原理可知,通(tong)過測量旋渦(wo)發生💚頻率僅(jin)能得到旋渦(wō)發生體附近(jìn)的流速vI,由式(shì)(3)可知在橫截(jie)❄️面積一定的(de)情況下,流體(ti)的流量Q與流(liu)體的平均流(liú)速v成正比,因(yīn)此要正确計(ji)量流體的流(liú)量必須找到(dao)`v與v1的對應關(guān)系🐉。
　　根據流體(tǐ)力學理論,在(zài)充分發展的(de)湍流狀态下(xià)，流體的速度(dù)🎯分布有如下(xià)關系式川:
 
　　式(shi)中:vp爲到管壁(bì)距離爲y的P點(diǎn)的速度;y爲點(dian)到管壁處的(de)💁距離;Vmax:爲✉️管道(dao)中的最大流(liú)速,通常取管(guǎn)道中心的速(sù)度;R爲管道的(de)半徑;n爲雷諾(nuò)數的函數。
表(biao)1中給出了部(bu)分雷諾數與(yǔ)n的對應關系(xì)。
 
　　由于旋渦發(fā)生體的位置(zhì)固定,因此當(dāng)雷諾數一定(dìng)時v1與`v有固定(ding)的比例關系(xi)換言之,當雷(léi)諾數Re變化時(shi),二者的比值(zhí)也發生變化(hua)，
 
　　圖3給出了不(bú)同雷諾數下(xià)充分發展的(de)湍流的流速(su)分布💜,如🔴圖所(suo)示Re越大,流速(su)分布越平滑(huá),即旋渦發生(shēng)體附近的流(liú)速🔞越接近平(píng)均流速,故ƒ( Re)應(yīng)爲單調遞減(jiǎn)❗函數。圖4給出(chū)了3台50mm口徑，寬(kuān)度14 mm三角形旋(xuán)渦發生體的(de)氣體渦銜流(liú)量計,在20℃,一個(ge)标準大氣壓(yā)下,不同雷諾(nuò)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數下的K值曲(qǔ)🔱線。如圖所示(shi)實驗數據與(yu)理論分析基(jī)本一緻,因此(ci)✉️渦銜流量計(ji)的測量原理(lǐ)即決定了儀(yí)表系數的非(fēi)線性特性。若(ruò)🌐要提高渦📱街(jiē)流量計的計(ji)量精度,必須(xu)針對不🔅同的(de)流速分布對(dui)K值進行修正(zheng)。
 
3标定狀态下(xia)K值的修正
　　在(zai)20 ℃,一個标準大(dà)氣壓的标定(ding)狀态下,空氣(qi)的密度和粘(zhān)度爲常數,因(yīn)此雷諾數僅(jin)與流體的平(ping)均流速相關(guān),ƒ在平均流速(su)`v有對應關系(xi),因此有如下(xia)函數關系:
 
　　對(duì)圖4中的K值曲(qǔ)線研究發現(xian),3條曲線形狀(zhuàng)基本一緻,隻(zhi)是平移的程(cheng)度不同。故可(kě)以爲同一口(kou)徑的渦街流(liu)量計确定一(yī)條特征曲線(xian)函數G(f),同時測(ce)定每台儀表(biǎo)的平均儀表(biao)系數`K,将二者(zhe)相乘即可得(de)到該台渦街(jiē)流量計在不(bú)同頻率下的(de)真🔱實儀表系(xi)數,即:K=`K.G(ƒ)
　　在實際(jì)應用中将G(ƒ) 作(zuo)爲特定的子(zǐ)程序,生産廠(chang)家根據标定(ding)結果置入R即(jí)可。
4工作狀況(kuang)下的修正
　　氣(qi)體渦銜流量(liang)計使用的工(gong)作狀況(簡稱(chēng)工況)通常與(yǔ)标👌定狀态不(bu)同,由于氣體(ti)的體積流量(liang)受溫度、壓力(lì)的⁉️影響比較(jiao)♈大,在實際應(ying)用中通常将(jiāng)氣體在工況(kuang)下的📱體積折(shé)💰算爲标準狀(zhuang)态下(0℃,一個标(biao)準大氣壓,簡(jiǎn)稱标況)的體(tǐ)積進行結算(suan)和計量,即對(duì)氣體進行溫(wen)度、壓力的補(bǔ)償。
　　根據流體(ti)力學中的雷(lei)諾數相似原(yuán)則,即當流體(tǐ)的雷諾數相(xiang)等時流體的(de)流速分布相(xiàng)似”。故将工況(kuang)下的流動形(xing)态化爲标定(ding)狀态下的流(liú)動形态,再通(tong)過标定狀态(tai)下對速度分(fèn)🏃‍♂️布的修正得(dé)到與工況相(xiàng)對應的标定(dìng)💜流量,最後将(jiang)正确修🎯正後(hòu)的标定流量(liàng)通過理想氣(qì)體💛狀态方程(chéng)折算爲标況(kuang)下的流量。采(cǎi)取⛷️以上方法(fǎ)是由于前面(miàn)提到的函數(shu)G(ƒ) 必須在标定(dìng)狀态下得到(dao),而0℃,-個标☎️準大(dà)氣壓的标定(dìng)狀态比較難(nan)得☂️到,因此采(cǎi)用了兩步折(she)算的方法。
 
　　故(gu)與工況對應(ying)的标定狀态(tài)下的旋渦發(fa)生體附近的(de)
 
　　由于此方法(fa)是基于雷諾(nuò)數相似原理(li)進行修正的(de)，因此普遍适(shi)用于各種氣(qì)體在非标定(dìng)狀态下的修(xiū)正。
5修正方法(fa)的實現
5.1硬件(jiàn)電路的實現(xiàn) .
　　由上面的分(fen)析可知要完(wán)成對非标定(ding)狀态下氣體(ti)流量的雷🧑🏾‍🤝‍🧑🏼諾(nuo)✍️數修正,需要(yào)采集氣體的(de)溫度、壓力信(xìn)号,同時爲了(le)完成複雜的(de)修正算法,信(xin)号處理部分(fen)采用了♌以單(dān)片🌏機爲核心(xīn)的智能化系(xi)統設計。單片(piàn)✊機爲Mi-crochip公司的(de)PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序(xù)存儲器,368字節(jiē)的RAM及256字節的(de)E2PROM，這爲複雜算(suan)法的實現和(hé)大量數據的(de)存儲提供了(le)良好基礎。16F877 具(ju)有片内的AD轉(zhuǎn)化器,可以簡(jian)化電路🈲設計(ji),能夠方便的(de)與溫度、壓力(lì)檢測放大電(diàn)，路連接,利于(yú)💰電路的緊湊(còu)化設計,降低(di)成本。片上的(de)WATCHDOG可以保證程(chéng)序的可靠運(yun)行。此外PICI6F877的💋端(duan)口B具有電平(píng)變化中斷的(de)功能,此功能(neng)可以方便的(de)實現簡單的(de)鍵盤接口電(diàn)路。圖5爲系統(tong)🌈硬件原理框(kuàng)圖。
 
　　爲了滿足(zu)儀表現場顯(xiǎn)示(即電池供(gòng)電)的需要,儀(yi)表在傳感器(qì)選擇和電路(lu)設計上都體(ti)現了低功耗(hao)的🔴特 點。
5.1.1溫度(du)檢測電路
　　溫(wen)度傳感器選(xuǎn)用了溫度傳(chuán)感器,該溫度(du)傳感器是基(jī)于半🔞導體測(cè)溫原理制成(chéng)的。該傳感器(qi)量程範圍較(jiào)寬(-40~125℃ ;輸出電壓(ya)信号,經放大(da)後可以方便(bian)的同單片機(ji)的A/D接🏒口連接(jiē);在量程範圍(wéi)内有較好的(de)線性度,10 mV/ C;精度(dù)較高,在量程(chéng)範圍🧡内可達(dá)±0.5 ℃;體積較小,封(feng)裝方式爲僅(jin)有3個管腳的(de)T0-92,可以方便的(de)與渦街流量(liàng)計的表體相(xiang)連。
5.1.2壓力檢測(cè)電路
　　壓力傳(chuan)感器采用壓(ya)阻式壓力傳(chuán)感器封裝在(zai)不鏽鋼外殼(ké)内,不鏽鋼膜(mó)片将壓力通(tong)過矽油傳遞(di)到壓力敏感(gan)芯🔞片。上從而(er)🥵得.到成比例(lì)的線性輸出(chū)。
　　該壓力傳感(gan)器适用于中(zhōng)低壓力測量(liang)，具有較高的(de)精度和線性(xìng)度,能夠實現(xiàn)零位校準和(he)溫度補償，具(jù)有低功耗特(te)性。
　　由于該壓(yā)力傳感器爲(wei)壓阻式,因此(ci)需恒流源供(gòng)電。爲了降☂️低(dī)系統的功耗(hao),使用了間歇(xie)供電的方案(àn),即在要進行(háng)🍓A/D采用時才給(gěi)壓力傳感器(qi)和恒流源供(gòng)電。壓力傳感(gǎn)器的輸出信(xin)号通過減法(fǎ)電🏃🏻‍♂️路得到壓(ya)力差,經放大(dà)後供A/D采樣。
5.2軟(ruǎn)件的實現
　　智(zhi)能化系統的(de)軟件設計結(jié)合PIC單片機的(de)特點采用了(le)PIC的彙編語言(yan),采用彙編語(yǔ)言便于提高(gāo)系統效率,縮(suo)短程序📞執行(hang)㊙️時間,降低系(xì)統功耗。
　　爲了(le)便于軟件設(shè)計,主程序分(fèn)爲工作狀态(tai)和置數狀🌐态(tai)，并爲其編制(zhì)不同的子程(chéng)序。在主程序(xu)中,通過标志(zhì)💁位确定主程(chéng)序所要😄運行(hang)的子程序,不(bu)同的标志通(tong)過不同的中(zhong)斷來🥵設置,例(li)如:1 s定時中斷(duàn)将設置📱計算(suàn)标志,外部中(zhōng)斷将設置置(zhì)數标志。這樣(yang)既保證了系(xi)統的實時性(xìng)又體現了軟(ruǎn)件的結構化(huà)特點。工作狀(zhuang)态用于對💯瞬(shùn)時和累計流(liu)量的計算和(hé)顯🈲示。圖6給出(chu)了計算子程(cheng)序的流程圖(tu)。置數狀态用(yòng)于所選參數(shù)如平均儀表(biǎo)系🧡數`K的置入(ru)。另外由于渦(wō)街流量計在(zai)小流量時易(yi)受到噪聲的(de)幹擾,因此還(hai)增🌂加了流量(liàng)下限切除的(de)功能,流量的(de)下限也可㊙️以(yǐ)通過鍵盤置(zhi)入。

 
　　主程序流(liu)程圖如圖7所(suo)示。
 
6結論
　　表2給(gěi)出了标定狀(zhuàng)态下,3台渦街(jie)流量傳感器(qì)修正前🔱後👨‍❤️‍👨非(fei)線♉性誤差的(de)比較結果。
 
　　本(běn)文分析了氣(qì)體渦街流量(liang)計測量誤差(cha)産生的原因(yin),并給出了一(yī)種基于雷諾(nuo)數修正的方(fang)法,用高次函(han)數拟合🍉儀表(biao)系數K的特🌈性(xìng)曲線。通過對(duì)儀表系數K的(de)非線性修正(zhèng),提高了㊙️渦街(jie)流⛱️量計的計(jì)量精度。結💋合(he)實際應用,通(tōng)過對📐壓力、溫(wen)度的補償得(dé)到了與工🧡況(kuàng)相對應标況(kuàng)下的流量,方(fāng)便了用戶👨‍❤️‍👨的(de)使用。

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