摘要:文中以氣體渦街流量計為例,從流體力學的角度分析了渦街流量計測量誤差產生的原因,結合氣體測量的特點,使用了一種工程化的解決方法。并根據應用實際,給出了正確的將工況流量轉化為標況流量的軟、硬件方案。
1引言
渦街流量計又稱卡門渦街流量計,是利用流體流過障礙物時產生穩定的旋渦,通過測量旋渦產生的頻率而實現對流體流量的計量。
渦街流量計是70年代發展起來的一種新型流量測量儀表。其優點主要有:儀表內部沒有可動部件,結構簡單,使用壽命長;測量范圍寬,--般情況量程比為1:10~1:15;儀表輸出為頻率信號，易于實現數字化測量;適用于多種介質測量4]。目前國內液體渦街流量計測量精度為土1% ,氣體渦銜流量計為+1.5%。這樣的精度用于貿易結算計量是不能令人滿意的。本文以氣體渦銜流量計為研究對象，從流體力學的角度分析渦街流量計測量誤差產生的原因,并給出了一種工程化的解決方法。
2渦街流量計的原理及測量誤差產生的原因
渦街流量計是基于流體力學中著名的“卡門渦街”研制的。在流動的流體中放置- -非流線型柱形體,稱旋渦發生體,當流體沿旋渦發生體繞流時,會在渦街發生體下游產生兩列不對稱但有規律的交替旋渦列,這就是所謂的卡門渦街,如圖1所示。
大量的實驗和理論證明:穩定的渦街發生頻率ƒ與來流速度v1及旋渦發生體的特征寬度d有如下確定關系叫:
式中St為斯特羅哈數,與雷諾數和d相關。
當雷諾數Re在一定范圍內(3 X102~2 X105)時(4],St為一常數,對于三角柱形旋渦發生體約為0.16
雷諾數的定義為
式中S為管道的橫截面積。
由氣體渦街流量計的測量原理可知,通過測量旋渦發生頻率僅能得到旋渦發生體附近的流速vI,由式(3)可知在橫截面積一定的情況下,流體的流量Q與流體的平均流速v成正比,因此要正確計量流體的流量必須找到`v與v1的對應關系。
根據流體力學理論,在充分發展的湍流狀態下，流體的速度分布有如下關系式川:
式中:vp為到管壁距離為y的P點的速度;y為點到管壁處的距離;Vmax:為管道中的最大流速,通常取管道中心的速度;R為管道的半徑;n為雷諾數的函數。
表1中給出了部分雷諾數與n的對應關系。
由于旋渦發生體的位置固定,因此當雷諾數一定時v1與`v有固定的比例關系換言之,當雷諾數Re變化時,二者的比值也發生變化，
圖3給出了不同雷諾數下充分發展的湍流的流速分布,如圖所示Re越大,流速分布越平滑,即旋渦發生體附近的流速越接近平均流速,故ƒ( Re)應為單調遞減函數。圖4給出了3臺50mm口徑，寬度14 mm三角形旋渦發生體的氣體渦銜流量計,在20℃,一個標準大氣壓下,不同雷諾數下的K值曲線。如圖所示實驗數據與理論分析基本一致,因此渦銜流量計的測量原理即決定了儀表系數的非線性特性。若要提高渦街流量計的計量精度,必須針對不同的流速分布對K值進行修正。
3標定狀態下K值的修正
在20 ℃,一個標準大氣壓的標定狀態下,空氣的密度和粘度為常數,因此雷諾數僅與流體的平均流速相關,ƒ在平均流速`v有對應關系,因此有如下函數關系:
對圖4中的K值曲線研究發現,3條曲線形狀基本一致,只是平移的程度不同。故可以為同一口徑的渦街流量計確定一條特征曲線函數G(f),同時測定每臺儀表的平均儀表系數`K,將二者相乘即可得到該臺渦街流量計在不同頻率下的真實儀表系數,即:K=`K.G(ƒ)
在實際應用中將G(ƒ) 作為特定的子程序,生產廠家根據標定結果置入R即可。
4工作狀況下的修正
氣體渦銜流量計使用的工作狀況(簡稱工況)通常與標定狀態不同,由于氣體的體積流量受溫度、壓力的影響比較大,在實際應用中通常將氣體在工況下的體積折算為標準狀態下(0℃,一個標準大氣壓,簡稱標況)的體積進行結算和計量,即對氣體進行溫度、壓力的補償。
根據流體力學中的雷諾數相似原則,即當流體的雷諾數相等時流體的流速分布相似”。故將工況下的流動形態化為標定狀態下的流動形態,再通過標定狀態下對速度分布的修正得到與工況相對應的標定流量,最后將正確修正后的標定流量通過理想氣體狀態方程折算為標況下的流量。采取以上方法是由于前面提到的函數G(ƒ) 必須在標定狀態下得到,而0℃,-個標準大氣壓的標定狀態比較難得到,因此采用了兩步折算的方法。
故與工況對應的標定狀態下的旋渦發生體附近的
由于此方法是基于雷諾數相似原理進行修正的，因此普遍適用于各種氣體在非標定狀態下的修正。
5修正方法的實現
5.1硬件電路的實現 .
由上面的分析可知要完成對非標定狀態下氣體流量的雷諾數修正,需要采集氣體的溫度、壓力信號,同時為了完成復雜的修正算法,信號處理部分采用了以單片機為核心的智能化系統設計。單片機為Mi-crochip公司的PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序存儲器,368字節的RAM及256字節的E2PROM，這為復雜算法的實現和大量數據的存儲提供了良好基礎。16F877 具有片內的AD轉化器,可以簡化電路設計,能夠方便的與溫度、壓力檢測放大電，路連接,利于電路的緊湊化設計,降低成本。片上的WATCHDOG可以保證程序的可靠運行。此外PICI6F877的端口B具有電平變化中斷的功能,此功能可以方便的實現簡單的鍵盤接口電路。圖5為系統硬件原理框圖。
為了滿足儀表現場顯示(即電池供電)的需要,儀表在傳感器選擇和電路設計上都體現了低功耗的特 點。
5.1.1溫度檢測電路
溫度傳感器選用了溫度傳感器,該溫度傳感器是基于半導體測溫原理制成的。該傳感器量程范圍較寬(-40~125℃ ;輸出電壓信號,經放大后可以方便的同單片機的A/D接口連接;在量程范圍內有較好的線性度,10 mV/ C;精度較高,在量程范圍內可達±0.5 ℃;體積較小,封裝方式為僅有3個管腳的T0-92,可以方便的與渦街流量計的表體相連。
5.1.2壓力檢測電路
壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器封裝在不銹鋼外殼內,不銹鋼膜片將壓力通過硅油傳遞到壓力敏感芯片。上從而得.到成比例的線性輸出。
該壓力傳感器適用于中低壓力測量，具有較高的精度和線性度,能夠實現零位校準和溫度補償，具有低功耗特性。
由于該壓力傳感器為壓阻式,因此需恒流源供電。為了降低系統的功耗,使用了間歇供電的方案,即在要進行A/D采用時才給壓力傳感器和恒流源供電。壓力傳感器的輸出信號通過減法電路得到壓力差,經放大后供A/D采樣。
5.2軟件的實現
智能化系統的軟件設計結合PIC單片機的特點采用了PIC的匯編語言,采用匯編語言便于提高系統效率,縮短程序執行時間,降低系統功耗。
為了便于軟件設計,主程序分為工作狀態和置數狀態，并為其編制不同的子程序。在主程序中,通過標志位確定主程序所要運行的子程序,不同的標志通過不同的中斷來設置,例如:1 s定時中斷將設置計算標志,外部中斷將設置置數標志。這樣既保證了系統的實時性又體現了軟件的結構化特點。工作狀態用于對瞬時和累計流量的計算和顯示。圖6給出了計算子程序的流程圖。置數狀態用于所選參數如平均儀表系數`K的置入。另外由于渦街流量計在小流量時易受到噪聲的干擾,因此還增加了流量下限切除的功能,流量的下限也可以通過鍵盤置入。
主程序流程圖如圖7所示。
6結論
表2給出了標定狀態下,3臺渦街流量傳感器修正前后非線性誤差的比較結果。
本文分析了氣體渦街流量計測量誤差產生的原因,并給出了一種基于雷諾數修正的方法,用高次函數擬合儀表系數K的特性曲線。通過對儀表系數K的非線性修正,提高了渦街流量計的計量精度。結合實際應用,通過對壓力、溫度的補償得到了與工況相對應標況下的流量,方便了用戶的使用。
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