摘要(yào):文中以氣體渦(wo)街流量計 爲例(li),從流體力學的(de)角度分析了渦(wō)街流量計測量(liàng)誤差産生的原(yuan)因,結合氣體測(ce)量的特點,使用(yong)了一種工✉️程化(huà)的解㊙️決方法。并(bing)根據應用實際(jì),給出了正🏃🏻‍♂️确的(de)将工況流量轉(zhuan)化爲标況流量(liang)的軟、硬件方案(àn)。
1引言
　　渦街流量(liàng)計 又稱卡門渦(wō)街流量計,是利(li)用流體流過障(zhàng)礙物時🌂産生穩(wěn)定的旋渦,通過(guò)測量旋渦産生(sheng)的頻率而實現(xiàn)對流體流量的(de)計量。
　　渦街流量(liàng)計是70年代發展(zhan)起來的一種新(xīn)型流量測量儀(yi)表✊。其優點主要(yào)有:儀表内部沒(mei)有可動部件,結(jié)構簡單,使用壽(shòu)命長;測量範圍(wéi)寬,--般情況量程(chéng)比爲1:10~1:15;儀表輸💃出(chū)爲頻率信号，易(yì)于實現數字化(huà)測量;适用于多(duo)種介質測量4]。目(mu)前國内液☔體渦(wo)街流量計測量(liàng)⛷️精度爲土1% ,氣體(ti)渦銜流量計爲(wei)+1.5%。這樣的精度用(yòng)于貿㊙️易結算計(jì)量是不能令人(ren)滿意的。本文以(yi)氣體渦銜流量(liàng)計爲研究對象(xiàng)，從流體力學的(de)角度分析渦街(jiē)流量計測量誤(wù)差産生的原因(yīn),并給出了一種(zhong)工程化的解決(jue)🔴方法。
2渦街流量(liàng)計的原理及測(ce)量誤差産生的(de)原因
　　渦街流量(liang)計是基于流體(tǐ)力學中著名的(de)“卡門渦街⚽”研🍉制(zhi)😍的💛。在流動的流(liú)體中放置- -非流(liu)線型柱形體,稱(cheng)旋渦發生體,當(dāng)😄流體沿旋渦發(fā)生體繞流時,會(hui)在渦街發生🈲體(tǐ)下遊産生兩列(lie)不對稱但有規(guī)律的交替💘旋渦(wo)列,這就是所謂(wèi)的卡門渦街,如(rú)圖1所示。
 
　　大量的(de)實驗和理論證(zheng)明:穩定的渦街(jie)發生頻率ƒ與來(lai)流速度❓v1及⛹🏻‍♀️旋渦(wo)發生體的特征(zhēng)寬度d有如下确(què)定👉關系叫:
 
　　式中(zhōng)St爲斯特羅哈數(shu),與雷諾數和d相(xiàng)關。
　　當雷諾數Re在(zài)一定範圍内(3 X102~2 X105)時(shí)(4],St爲一常數,對于(yú)三角柱形旋渦(wō)發生🍓體約爲0.16
　　雷(léi)諾數的定義爲(wei)
 
　　式中S爲管道的(de)橫截面積。
　　由氣(qi)體渦街流量計(jì)的測量原理可(kě)知,通過測量旋(xuan)渦發生頻率僅(jin)能得到旋渦發(fa)生體附近的流(liú)速vI,由式(3)可📐知在(zai)橫截面積一定(dìng)的情況下,流體(ti)的流量Q與流體(tǐ)的平均流❤️速v成(chéng)正比,因此🌈要正(zheng)确計量流體的(de)流量必須找到(dao)`v與v1的對應關系(xì)。
　　根據流體力學(xue)理論,在充分發(fa)展的湍流狀态(tai)下，流體㊙️的❓速度(du)分布有如下關(guan)系式川:
 
　　式中:vp爲(wei)到管壁距離爲(wei)y的P點的速度;y爲(wèi)點到管壁處的(de)距離;Vmax:爲管道中(zhōng)的最大流速,通(tong)常取管道中心(xin)的速度;R爲管道(dào)的半徑;n爲雷諾(nuo)數的函數。
表1中(zhong)給出了部分雷(lei)諾數與n的對應(yīng)關系。
 
　　由于旋渦(wō)發生體的位置(zhì)固定,因此當雷(léi)諾數一定時🙇‍♀️v1與(yǔ)🥰`v有固定的比例(lì)關系換言之,當(dāng)雷諾數Re變化時(shí),二者的比值也(yě)發生變化，
 
　　圖3給(gei)出了不同雷諾(nuo)數下充分發展(zhǎn)的湍流的流速(su)‼️分布,如💞圖所示(shi)Re越大,流速分布(bu)越平滑,即旋渦(wō)發生體附近的(de)流速越接近平(ping)均流速,故ƒ( Re)應爲(wèi)單調遞減函數(shù)。圖🤞4給出了3台50mm口(kǒu)徑，寬度14 mm三角形(xing)旋渦發生體的(de)氣體渦銜流量(liàng)計,在20℃,一個标準(zhun)大氣壓下,不同(tóng)雷諾🐕數下的K值(zhí)曲線。如圖所示(shi)實驗數據與理(li)論分析基本一(yī)緻,因此渦銜流(liu)量計的測量原(yuan)理即決定了儀(yi)表系數的非線(xian)性⭐特性。若要提(tí)高渦🔴街流量計(jì)的計量精度,必(bì)須針對不💞同的(de)流速分布對K值(zhi)進行修正。
 
3标定(ding)狀态下K值的修(xiū)正
　　在20 ℃,一個标準(zhǔn)大氣壓的标定(dìng)狀态下,空氣的(de)密度和粘🔴度爲(wèi)‼️常數,因此雷諾(nuò)數僅與流體的(de)平均流速相關(guān),ƒ在平均流速`v有(you)對應關系,因此(cǐ)有如下函數關(guān)系:
 
　　對圖4中的K值(zhi)曲線研究發現(xian),3條曲線形狀基(ji)本一緻,隻是平(ping)移的程度不同(tóng)。故可以爲同一(yi)口徑的渦街流(liú)量計确定一條(tiao)特📞征曲線函數(shù)G(f),同時測定每台(tai)儀表的平均儀(yi)表✌️系數`K,将二者(zhe)相乘即可得到(dào)該台渦㊙️街流量(liàng)計在不同頻率(lǜ)下的真實儀表(biao)系🌂數,即:K=`K.G(ƒ)
　　在實際(ji)應用中将G(ƒ) 作爲(wei)特定的子程序(xu),生産廠家根據(ju)标定結果置入(rù)R即可。
4工作狀況(kuang)下的修正
　　氣體(tǐ)渦銜流量計使(shi)用的工作狀況(kuàng)(簡稱工況)通常(chang)與标😍定狀❗态不(bu)同,由于氣體的(de)體積流量受溫(wen)度、壓👉力的影響(xiang)比較大,在實際(jì)應用中通常将(jiang)氣體在工況下(xià)的體積折算爲(wèi)标準狀态下(0℃,一(yi)個标準大氣壓(ya),簡稱标況)的體(tǐ)積進行結算和(hé)♊計量,即對氣體(ti)進行溫度、壓力(lì)的補償。
　　根據流(liú)體力學中的雷(lei)諾數相似原則(ze),即當流體的雷(léi)🌈諾數相等時流(liú)體的流速分布(bu)相似”。故将工況(kuàng)下🐕的流動形态(tai)化爲标定狀态(tai)下的流動形态(tai),再通過㊙️标定狀(zhuang)态下對速度分(fen)布的修正得到(dao)與工況相對✨應(yīng)的标定流量,最(zui)後将正确修正(zhèng)後的标定流量(liàng)通過理想氣體(tǐ)狀态方程折算(suan)爲标況下的流(liú)量。采取以上方(fang)法是由于前面(mian)提到的函數G(ƒ) 必(bi)須在标定狀态(tài)下得到♻️,而0℃,-個标(biao)準大氣壓的标(biāo)定狀态比較難(nán)得♉到,因此采用(yòng)了兩步🆚折算的(de)方法。
 
　　故與工況(kuang)對應的标定狀(zhuàng)态下的旋渦發(fā)生體附近的
 
　　由(yóu)于此方法是基(ji)于雷諾數相似(si)原理進行修正(zhèng)的，因此普遍适(shi)用于各種氣體(tǐ)在非标定狀态(tai)下的修✔️正。
5修正(zheng)方法的實現
5.1硬(yìng)件電路的實現(xiàn) .
　　由上面的分析(xi)可知要完成對(dui)非标定狀态下(xià)氣體流量的雷(léi)諾🈲數修正,需要(yao)采集氣體的溫(wēn)度、壓力信号,同(tong)時爲了完成複(fu)雜的修正算法(fa),信号處理部分(fen)采用了🛀以單片(pian)機爲核心的智(zhi)能化系統設計(jì)。單片機爲Mi-crochip公司(si)的PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序(xù)存儲器,368字節的(de)RAM及256字節的E2PROM，這爲(wèi)複雜算法的實(shí)現和大量數據(jù)的存儲提供了(le)良好基礎。16F877 具有(you)片内的AD轉化器(qi)👨‍❤️‍👨,可以簡化電路(lu)設計,能夠方便(bian)的與溫度、壓力(lì)檢測放大電，路(lu)連接,利于電🈲路(lù)的緊湊化設計(ji)❄️,降低成本。片上(shang)的🌈WATCHDOG可📱以保證程(chéng)序的可靠㊙️運行(háng)。此外PICI6F877的端口B具(ju)❓有電平變化中(zhōng)斷的‼️功能,此功(gōng)能可以方便的(de)實現簡單的鍵(jian)盤接口電路。圖(tú)5爲系統硬件原(yuán)理框圖。
 
　　爲了滿(mǎn)足儀表現場顯(xian)示(即電池供電(diàn))的需要,儀表在(zài)💰傳💯感器選擇和(he)電路設計上都(dōu)體現了低功耗(hao)的特 點💘。
5.1.1溫度檢(jian)測電路
　　溫度傳(chuán)感器選用了溫(wen)度傳感器,該溫(wēn)度傳感器是基(ji)于半導體測溫(wen)原理制成的。該(gāi)傳感器量程範(fàn)圍較寬(-40~125℃ ;輸出電(diàn)壓🔞信号♋,經放大(dà)後可以方便的(de)同單片機的A/D接(jie)口連接;在量程(chéng)範圍内有較好(hǎo)的線性度,10 mV/ C;精度(du)較高,在量程範(fàn)圍内可達±0.5 ℃;體積(ji)較小,封裝方式(shì)爲💋僅有3個管腳(jiǎo)的T0-92,可以方便的(de)與渦街流量計(ji)的表體相連。
5.1.2壓(ya)力檢測電路
　　壓(ya)力傳感器采用(yòng)壓阻式壓力傳(chuán)感器封裝在不(bú)鏽鋼外殼内,不(bu)鏽鋼膜片将壓(yā)力通過矽油傳(chuan)遞到壓🐪力敏🚩感(gan)芯片。上從而得(dé).到成比例的線(xiàn)性輸出。
　　該壓力(li)傳感器适用于(yú)中低壓力測量(liang)，具有較高的精(jīng)度和線🐪性🐇度,能(neng)夠實現零位校(xiào)準和溫度補償(cháng)，具有低👅功耗特(te)性。
　　由于該壓力(lì)傳感器爲壓阻(zu)式,因此需恒流(liu)源供電。爲了降(jiang)✍️低系🏃統的功耗(hào),使用了間歇供(gong)電的方案,即在(zài)要進行A/D采用時(shí)才給壓力傳感(gan)器和恒流源供(gong)電。壓力傳感器(qi)的輸出信号通(tōng)過減法電路得(de)到壓力差,經放(fang)大後供A/D采樣。
5.2軟(ruan)件的實現
　　智能(néng)化系統的軟件(jiàn)設計結合PIC單片(piàn)機的特點采用(yong)💯了PIC的彙編語言(yan),采用彙編語言(yan)便于提高系統(tǒng)效率🎯,縮短程序(xu)執行時間,降低(dī)系統功耗。
　　爲了(le)便于軟件設計(ji),主程序分爲工(gōng)作狀态和置數(shù)狀态，并爲其編(bian)制不同的子程(chéng)序。在主程序中(zhong),通過标志位确(que)定主程序所要(yào)運行的子程序(xù),不同的标志通(tong)過不同的中斷(duàn)來設置,例💚如:1 s定(ding)時中斷将設置(zhi)計算标志,外部(bù)中斷将設置置(zhì)數标志。這樣既(ji)保證㊙️了系統的(de)實時性又體現(xiàn)💛了軟件的結構(gòu)化特點。工📱作狀(zhuang)态用于對瞬時(shi)和累計流❗量的(de)計算和顯示。圖(tú)6給出了計算子(zǐ)程序的流程圖(tu)。置數狀态用于(yú)所選參數如平(ping)均儀表系數`K的(de)置入。另外由✊于(yú)💃🏻渦街流量計在(zài)小流量時易受(shòu)到噪聲的💞幹擾(rao),因此還增加了(le)流量下限切除(chú)的功能,流量的(de)下限也可🌍以通(tong)過鍵盤置入。

 
　　主(zhǔ)程序流程圖如(rú)圖7所示。
 
6結論
　　表(biao)2給出了标定狀(zhuàng)态下,3台渦街流(liu)量傳感器修正(zhèng)前後非🔞線性誤(wu)差的比較結果(guǒ)。
 
　　本文分析了氣(qì)體渦街流量計(jì)測量誤差産生(shēng)的原🤞因🐇,并給出(chu)了一種基于雷(léi)諾數修正的方(fāng)法,用高次函數(shu)拟合儀表系數(shù)K的特♍性曲線。通(tōng)過對儀表系數(shu)K的非線性修正(zhèng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,提高了渦街流(liu)📧量計的計量精(jing)度。結合實際應(ying)用,通過對👈壓力(li)、溫度的補償得(de)☀️到了與工🏒況相(xiang)對應标況下的(de)流量,方便了用(yong)戶的使用。

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