摘要:文中(zhong)以氣體渦(wō)街流量計(jì) 爲例,從流(liú)體力學的(de)角度分析(xī)了渦街流(liu)量計測量(liang)誤差産生(shēng)的原因,結(jié)合氣體測(cè)量的特點(dian),使用了一(yi)種工程化(hua)的解決方(fang)法。并根據(ju)應用實際(jì),給出了正(zheng)确的将工(gōng)況流量轉(zhuan)化爲标況(kuang)流量的軟(ruan)、硬件方案(àn)💃。
1引言
　　渦街(jie)流量計 又(you)稱卡門渦(wo)街流量計(ji),是利用流(liú)體流過障(zhang)礙物時💔産(chan)生穩定的(de)💃🏻旋渦,通過(guò)測量旋渦(wō)産生的頻(pín)率而實🔅現(xian)對流體流(liú)量的計量(liàng)。
　　渦街流量(liàng)計是70年代(dài)發展起來(lai)的一種新(xin)型流量測(ce)量儀表。其(qí)優點主要(yào)有:儀表内(nèi)部沒有可(ke)動部件,結(jié)構簡單,使(shǐ)用壽命長(zhǎng);測量範圍(wéi)寬,--般情況(kuang)量程比爲(wèi)1:10~1:15;儀表輸出(chu)爲頻率信(xin)号，易于實(shí)現數字化(hua)測量;适用(yong)于多種介(jie)質測量4]。目(mù)前國内液(ye)✂️體渦街流(liú)量計測量(liang)🐪精度爲土(tu)1% ,氣💜體渦銜(xian)流量計爲(wèi)+1.5%。這樣的精(jing)度用于貿(mào)💋易結算計(ji)量是不能(néng)令人滿意(yi)🌏的。本文以(yi)氣體渦銜(xian)流量計爲(wèi)研究對象(xiàng)，從流♻️體力(lì)學的角度(du)分析渦街(jie)流量計測(ce)量誤差産(chan)生的原因(yin),并給出🥵了(le)一種工程(cheng)化的解決(jué)方法。
2渦街(jie)流量計的(de)原理及測(cè)量誤差産(chan)生的原因(yin)
　　渦街流量(liang)計是基于(yú)流體力學(xue)中著名的(de)“卡門渦街(jie)⭐”研🌈制的。在(zài)💃🏻流動的流(liú)體中放置(zhì)- -非流線型(xíng)柱形體,稱(chēng)旋渦發生(shēng)體,當✨流體(tǐ)沿旋渦發(fa)生體繞流(liú)時,會在渦(wo)街發生體(ti)下遊産生(shēng)兩🔴列不對(dui)稱但有☁️規(gui)律的交替(ti)旋渦列,這(zhe)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻就是所謂(wèi)的卡門渦(wō)街,如圖1所(suǒ)示。
 
　　大量的(de)實驗和理(li)論證明:穩(wen)定的渦街(jiē)發生頻率(lü)ƒ與來🈚流速(sù)🔞度v1及旋渦(wo)發生體的(de)特征寬度(du)d有如下确(què)定關系🌈叫(jiào):
 
　　式中St爲斯(si)特羅哈數(shu),與雷諾數(shù)和d相關。
　　當(dāng)雷諾數Re在(zài)一定範圍(wei)内(3 X102~2 X105)時(4],St爲一(yī)常數,對于(yú)三角柱形(xíng)旋👌渦👈發生(sheng)體約爲0.16
　　雷(lei)諾數的定(ding)義爲
 
　　式中(zhong)S爲管道的(de)橫截面積(jī)。
　　由氣體渦(wo)街流量計(jì)的測量原(yuan)理可知,通(tong)過測量旋(xuan)渦發生頻(pín)率僅能得(de)到旋渦發(fā)生體附近(jìn)的流速vI,由(yóu)式(3)可知在(zài)橫截㊙️面積(ji)✉️一定的情(qing)況下,流體(tǐ)的流量Q與(yu)💜流體的平(ping)均流速v成(cheng)正比,因此(cǐ)🐆要正确計(ji)量流體的(de)流量必須(xū)找到`v與v1的(de)🚶對應關系(xì)。
　　根據流體(ti)力學理論(lun),在充分發(fa)展的湍流(liú)狀态下，流(liú)🥰體的速📧度(du)分布有如(rú)下關系式(shi)川:
 
　　式中:vp爲(wei)到管壁距(ju)離爲y的P點(dian)的速度;y爲(wei)點到管壁(bi)處的✉️距離(li);Vmax:爲管道中(zhong)的最大流(liú)速,通常取(qǔ)管道中心(xīn)的速度;R爲(wèi)管道的半(bàn)徑;n爲雷♌諾(nuo)數的函數(shu)。
表1中給出(chu)了部分雷(lei)諾數與n的(de)對應關系(xì)。
 
　　由于旋渦(wo)發生體的(de)位置固定(dìng),因此當雷(léi)諾數一定(dìng)時v1與`v有固(gu)定的比例(lì)關系換言(yan)之,當雷諾(nuò)數Re變化時(shi),二者👉的比(bi)值也🧡發生(sheng)變化，
 
　　圖3給(gěi)出了不同(tóng)雷諾數下(xia)充分發展(zhǎn)的湍流的(de)流速分♉布(bù)💃🏻,如圖💚所示(shì)Re越大,流速(sù)分布越平(ping)滑,即旋渦(wō)發生體附(fu)📱近的流速(su)越接近平(píng)均流速,故(gù)ƒ( Re)應爲單調(diào)遞減函數(shu)。圖4給出了(le)3台50mm口徑，寬(kuan)度14 mm三角形(xíng)旋渦發生(sheng)體的氣體(ti)渦銜流量(liàng)計,在20℃,一個(gè)标準大氣(qì)壓下,不同(tong)雷諾數下(xia)的K值曲線(xian)。如圖所示(shì)實驗數據(ju)與理論分(fèn)析基🍓本一(yi)緻,因此渦(wo)銜流量計(ji)的測量原(yuán)理即決定(dìng)了儀表系(xì)數的非線(xiàn)性特性。若(ruò)要提高渦(wō)街流量計(ji)的計量精(jīng)度,必須針(zhēn)對不☎️同的(de)流速分布(bu)對K值進行(hang)修正。
 
3标定(ding)狀态下K值(zhi)的修正
　　在(zai)20 ℃,一個标準(zhǔn)大氣壓的(de)标定狀态(tài)下,空氣的(de)密度和粘(zhan)🏃🏻度爲常數(shu),因此雷諾(nuò)數僅與流(liu)體的平均(jun)流速相關(guan),ƒ在平均流(liu)速`v有對應(yīng)關系,因此(cǐ)有如下函(hán)數關系:
 
　　對(duì)圖4中的K值(zhí)曲線研究(jiu)發現,3條曲(qu)線形狀基(jī)本一緻,隻(zhī)是平移的(de)程度不同(tóng)。故可以爲(wèi)同一口徑(jìng)的渦街流(liu)量計确定(dìng)一條特征(zheng)曲線函數(shu)G(f),同時測定(ding)每台儀🍓表(biǎo)的平均儀(yí)表系數`K,将(jiang)二者相乘(cheng)即可💘得到(dao)該台渦街(jie)流量計在(zài)不同頻率(lǜ)下的真📞實(shí)儀表系數(shu),即:K=`K.G(ƒ)
　　在實際(ji)應用中将(jiāng)G(ƒ) 作爲特定(dìng)的子程序(xu),生産廠家(jiā)根據标定(dìng)結果置入(rù)R即可。
4工作(zuò)狀況下的(de)修正
　　氣體(ti)渦銜流量(liàng)計使用的(de)工作狀況(kuàng)(簡稱工況(kuang))通常⛱️與标(biāo)定狀态不(bú)同,由于氣(qì)體的體積(jī)流量受溫(wen)度、壓🙇🏻力的(de)影響比較(jiào)大,在📧實際(jì)應用中通(tong)常将氣體(tǐ)在工況下(xia)的體積折(shé)算爲标準(zhun)狀态下(0℃,一(yī)個标準大(dà)氣壓,簡稱(chēng)标況)的體(tǐ)積進💋行結(jié)算和計量(liàng),即對氣體(ti)進行溫度(dù)、壓力的補(bu)償。
　　根據流(liú)體力學中(zhong)的雷諾數(shu)相似原則(zé),即當流體(tǐ)的雷諾數(shù)相等時流(liú)體的流速(sù)分布相似(si)”。故将工況(kuang)下💞的流動(dong)形🌈态化爲(wei)标定狀态(tài)下的流動(dòng)形态,再通(tōng)過标定狀(zhuàng)态下對速(su)度分布的(de)修正得到(dào)與工況相(xiang)對🈲應的标(biāo)定流量,最(zuì)後🔞将正确(què)修正後的(de)标定流量(liàng)通過理想(xiǎng)氣體狀态(tai)方程折算(suan)爲标況下(xià)的流量。采(cǎi)取✏️以上方(fāng)法是由于(yu)前面提到(dao)的函數G(ƒ) 必(bì)須在标定(dìng)狀态下得(de)到,而0℃,-個标(biao)準大氣壓(yā)的标定💃狀(zhuàng)态比較難(nan)得到,因此(ci)采用了兩(liang)步折算的(de)方法。
 
　　故與(yǔ)工況對應(ying)的标定狀(zhuàng)态下的旋(xuán)渦發生體(tǐ)附近的♈
 
　　由(yóu)于此方法(fa)是基于雷(lei)諾數相似(sì)原理進行(hang)修正的，因(yin)此普遍适(shì)用于各種(zhong)氣體在非(fēi)标定狀态(tài)下的修正(zhèng)。
5修正方法(fa)的實現
5.1硬(yìng)件電路的(de)實現 .
　　由上(shang)面的分析(xi)可知要完(wán)成對非标(biāo)定狀态下(xia)氣體流量(liang)❤️的雷諾數(shù)修正,需要(yào)采集氣體(ti)的溫度、壓(ya)力信号,同(tóng)⁉️時爲了完(wan)🥰成複📞雜的(de)修正算法(fǎ),信号處理(lǐ)部分💜采用(yòng)了以單片(pian)機爲核心(xin)的智能化(huà)系統設計(jì)。單片❗機爲(wèi)Mi-crochip公司的PIC16F877。 16F877具(jù)有8 K的FLASH程序(xù)存儲✔️器,368字(zì)節的RAM及256字(zì)節的E2PROM，這爲(wei)複雜算👨‍❤️‍👨法(fǎ)的實現和(he)大量數據(ju)的存儲提(tí)供了良好(hao)基礎。16F877 具有(yǒu)片内的AD轉(zhuan)化器,可以(yi)簡化電路(lu)設計,能夠(gòu)方便的與(yǔ)溫度、壓力(lì)檢測放大(dà)電，路連接(jiē),利于電路(lu)的緊湊化(huà)設計,降低(di)成本。片上(shang)的WATCHDOG可以保(bao)證程序的(de)可靠運行(háng)。此外PICI6F877的端(duan)口B具有電(diàn)平變化中(zhong)🙇🏻斷的功能(néng),此功能可(kě)以方便的(de)🔱實現簡單(dan)的鍵盤接(jie)口電路。圖(tu)5爲系統硬(ying)件原理框(kuang)圖。
 
　　爲了滿(mǎn)足儀表現(xian)場顯示(即(jí)電池供電(diàn))的需要,儀(yí)表在🛀🏻傳感(gǎn)器選擇和(hé)電路設計(jì)上都體現(xiàn)了低功耗(hao)的特 點🐇。
5.1.1溫(wen)度檢測電(dian)路
　　溫度傳(chuán)感器選用(yòng)了溫度傳(chuán)感器,該溫(wen)度傳感器(qì)是基于半(bàn)導體測溫(wen)原理制成(chéng)的。該傳感(gan)器量程範(fan)圍較寬(-40~125℃ ;輸(shu)出電壓信(xìn)号,經放⚽大(da)後可以方(fāng)便的同單(dan)片㊙️機的A/D接(jie)口連接;在(zai)量程範圍(wéi)内有較好(hǎo)的線性度(du),10 mV/ C;精度較高(gao),在🤟量程範(fàn)圍内可達(dá)±0.5 ℃;體積較小(xiǎo),封裝方式(shi)爲僅有3個(gè)管腳的T0-92,可(ke)以方便的(de)與渦街流(liu)量計的表(biao)體相連。
5.1.2壓(yā)力檢測電(diàn)路
　　壓力傳(chuan)感器采用(yong)壓阻式壓(yā)力傳感器(qì)封裝在不(bú)鏽鋼外殼(ke)🛀内,不鏽鋼(gāng)膜片将壓(ya)力通過矽(xi)油傳遞到(dao)壓力敏♻️感(gan)芯片。上從(cong)而得.到成(cheng)比例的線(xian)性輸出。
　　該(gai)壓力傳感(gan)器适用于(yú)中低壓力(lì)測量，具有(yǒu)較高的精(jing)度💚和線♻️性(xìng)度,能夠實(shi)現零位校(xiao)準和溫度(dù)補償，具⛷️有(you)低功耗特(te)性💃🏻。
　　由于該(gai)壓力傳感(gan)器爲壓阻(zǔ)式,因此需(xu)恒流源供(gong)電。爲了降(jiàng)低系統的(de)功耗,使用(yong)了間歇供(gòng)電的方案(an),即在要進(jìn)行A/D采用♻️時(shí)才給壓力(lì)傳感器和(hé)恒流源供(gong)電。壓力傳(chuan)感器的🈲輸(shū)出信㊙️号通(tong)過減法電(diàn)路得到壓(ya)力差,經放(fàng)大後供A/D采(cǎi)樣。
5.2軟件的(de)實現
　　智能(néng)化系統的(de)軟件設計(jì)結合PIC單片(piàn)機的特點(dian)采用👌了PIC的(de)彙編語言(yán),采用彙編(biān)語言便于(yú)提高系統(tǒng)效率,縮短(duan)程序執行(hang)時間,降低(dī)系統功耗(hào)。
　　爲了便于(yú)軟件設計(jì),主程序分(fen)爲工作狀(zhuang)态和置數(shu)🔆狀♉态，并爲(wei)其編制不(bu)同的子程(chéng)序。在主程(chéng)序中,通過(guo)标志位确(què)定主程序(xù)所要🚶‍♀️運行(háng)的子程序(xu),不同的标(biao)志通過不(bu)同的中斷(duàn)來設置,例(li)🏃‍♂️如:1 s定時中(zhong)斷将設置(zhi)計算标志(zhì),外部中斷(duàn)将設置置(zhi)數标志。這(zhè)樣既保證(zheng)🐆了系統的(de)實🐕時性又(you)體現了軟(ruǎn)件的結構(gou)化特點。工(gong)作狀态用(yong)于對瞬時(shí)和累計流(liu)量的計算(suan)和顯示。圖(tú)6給出了計(jì)💜算子程序(xù)的流程圖(tu)。置數👣狀态(tai)用于所選(xuǎn)🤞參🔅數如平(ping)均儀表系(xì)🐉數`K的置入(ru)。另外由于(yu)渦街流量(liang)計在小流(liu)🐉量時易受(shou)到噪聲的(de)♌幹擾,因此(ci)還增加了(le)🏃流量下限(xiàn)切除的功(gōng)能,流量的(de)下限也可(kě)以通過鍵(jiàn)⭐盤置入。

 
　　主(zhu)程序流程(chéng)圖如圖7所(suǒ)示。
 
6結論
　　表(biǎo)2給出了标(biao)定狀态下(xia),3台渦街流(liu)量傳感器(qi)修正前後(hou)非💚線性誤(wu)差的比較(jiào)結果。
 
　　本文(wen)分析了氣(qì)體渦街流(liú)量計測量(liàng)誤差産生(shēng)的原因,并(bing)🌂給出🍓了一(yī)種基于雷(lei)諾數修正(zhèng)的方法,用(yòng)高次函數(shu)拟合🧑🏽‍🤝‍🧑🏻儀表(biǎo)系數K的特(te)✂️性曲線。通(tōng)過對儀表(biǎo)系數K的非(fēi)線性修正(zhèng),提高了渦(wō)街流量計(ji)的計量精(jing)度。結合實(shí)際應用,通(tong)過對壓力(li)、溫度的補(bu)償得🌈到了(le)與工況相(xiàng)對應标況(kuang)下的流量(liang),方便了用(yòng)戶⛹🏻‍♀️的使用(yòng)。

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