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                            高精度气体涡街流量计雷诺修正研究
                            发布时间:2021-9-29 08:21:48

                            摘要:文中以高精度气体涡街流量计为例,从流体力学的角度分析了涡街流量计测量误差产生的原因,结合气体测量的特点,使用了一种工程化的解决方法。并根据应用实际,给出了精确的将工况流量转化为标况流量的软、硬件方案。
                            1引言
                              涡街流量计又称卡门涡街流量计,是利用流体流过障碍物时产生稳定的旋涡,通过测量旋涡产生的频率而实现对流体流量的计量。
                              涡街流量计是70年代发展起来的一种新█型流量测量仪表。其优点主要有:仪表内部没有可∞动部件,结构简单,使用寿命长;测量范围宽,--般情况量程比为1:10~1:15;仪表输出为频率信号,易于实现数字≡化测量;适用于多种介质测量4]。目前国内液体涡街流量计测量精度为土1% ,气体涡衔流量计为+1.5%。这样的精度用于贸易结算计量是不能令←人满意的。本文以气体涡衔流量▼计为研究对象,从流体力Ψ学的角度分析涡街流量计测量误差产生的原因,并给出了一种工程化的解决方法。
                            2涡街流量计的原理及◇测量误差产生的原因
                              涡街流量№计是基于流体力学中著名的“卡门涡街”研制的。在流动的流体中放︽置- -非流线←型柱形体,称旋涡发生体,当流体沿旋涡发生体绕流时,会在涡街发生体下游产生两列不对称但有规律的交替旋涡╳列,这就是⌒所谓的卡门涡街,如图1所示。
                             
                              大量的实验和∩理论证明:稳定的涡街发生频率ƒ与来流速度v1及旋涡发生体的特征宽度d有如下确定关系ぷ叫:
                             
                              式中St为斯特罗♂哈数,与雷诺数和╳d相关。
                              当雷诺数Re在一定范围内(3 X102~2 X105)时(4],St为一常数,对于三角柱形旋涡发生体约为0.16
                              雷诺数的定义为
                             
                              式中S为管↑道的横截面积。
                              由高精度气体涡街流量计的测量原理可知,通过测量旋涡发生频率仅能得⊙到旋涡发生体附近的ζ 流速vI,由式(3)可知在横截面积一定的情况下,流■体的流量Q与流体的平均流速v成正比,因此要→精确计量流体的流量必须找到`v与v1的对应↙关系。
                              根据流体力学理论,在充分发展的湍流状态下,流体的速度分布有如下关系式川:
                             
                              式中:vp为到管壁距离为y的P点的速度;y为点∑到管壁处的距离;Vmax:为管道中的最大流速,通常取管道中心的速度;R为管道的半径;n为雷诺数的函数。
                            表1中给出了部分△雷诺〗数与n的※对应关系。
                             
                              由于旋涡发生体的位置固定,因此㊣当雷诺数一定时v1与`v有固定的比例关系换言之,当雷诺数Re变化时,二者的比值也发生变化,
                             
                              图3给出了不同︽雷⌒诺数下充分发展●的湍流的流速分布,如图所示Re越大,流速分布」越平滑,即旋涡发生体附近的流速越接近平均流速,故ƒ( Re)应为〗单调递减函数。图4给出了3台50mm口径,宽度14 mm三角形旋涡发生体的气体涡衔流量计,在20℃,一个标准大气压下,不同∑ 雷诺@数下的K值曲线。如图所示实验数据与理论¤分析基本一致,因此涡衔流〒量计的测量原⊙理即决定了仪表系数的非线性特性。若要提高涡街流量计的计量精度,必须针对不同的流速分布对K值进行◣修正。
                             
                            3标定状@态下K值的修正
                              在20 ℃,一个ξ 标准大气压的标定状态下,空气的密度和粘度为常数,因此雷诺数仅与流体的平■均流速相关,ƒ在平均流速`v有对应关系,因此有如下函数关系:
                             
                              对图4中的K值曲线ξ 研究发现,3条曲线形状基本一致,只是平移ω的程度不同。故可以为同一☉口径的涡街流量计确定一条特征曲线函数G(f),同时测定每台仪表的平均仪表系数◣`K,将二者相乘即可得到该台涡街流量计在不同频率下的真实仪表系数,即:K=`K.G(ƒ)
                              在实际应用中将G(ƒ) 作为特□ 定的子程序,生产厂家根据标定≡结果置入R即可。
                            4工作状况下的修正
                              高精度气》体涡衔流量计使↘用的工作状况(简称工况)通常与标定状态不同→,由于气体的体积流量受温度、压力的影响比较大〖,在实际应用中通常将气体在工况下的体积折算↑为标〇准状态下(0℃,一个标准大气压,简称标况)的体积进行结算和计量,即对气体进行】温度、压力的补偿。
                              根据流体№力学中的雷诺数相似原则,即当流体的雷诺数相等时流体的ξ流速分▃布相似”。故将工况下的流动形态化为标定状态下的流动『形态,再通过标定状态下对速度分布的修正得到与工况相对应的标定流量,最后将精ξ确修正后的标定流量通过理想气体状态方程折算为标况下的流量。采取以上∑ 方法是由于前面提到的函数G(ƒ) 必须在标定状态下得到,而0℃,-个标准大气█压的标定状态比较难得到,因此采用了两步折算的方♀法。
                             
                              故与工况对应的标定状态下的旋涡发生体附近的
                             
                              由于此方法是基于雷诺数相似原理进行修正的,因此普遍适用于各种气体在非标定状态下的修正。
                            5修正方法『的实现
                            5.1硬件电路的实现 .
                              由上面的分析可知要完成对非标定状态下气体流量的雷诺数ㄨ修正,需要采集气体的温度、压力信号,同时为了完成复〓杂的修正算法,信号处理部分采用了以单片机为核心的智能化︽系统设计。单片机为Mi-crochip公司的PIC16F877。 16F877具有8 K的FLASH程序存储器,368字节的RAM及256字节的E2PROM,这为复杂算法的实现◣和大量数据的存储提供了良好基础。16F877 具有片内的AD转化器,可以〓简化电路设计,能够方便的与温度、压力▅检测放大电,路连接,利于电路的紧凑化设计,降低成本。片上的WATCHDOG可以保证程序╳的可靠运行。此外PICI6F877的端口B具有←电平变化中断的功能,此功能可以方便的实现简单的键盘接口电路。图5为系统硬件原理框图。
                             
                              为了▅满足仪表现场显示(即电池供①电)的需要,仪表在传感器选择和电路设计上都体现了低功耗的特 点。
                            5.1.1温度检测电╲路
                              温度传感器选用了温度传感器,该温⌒ 度传感器是基于半导体测温原理制成的。该传感器量程范围较宽(-40~125℃ ;输出▓电压信号,经放大后可以方〒便的同单片机的A/D接口连接;在量程范围内有较好的线性度,10 mV/ C;精度较高,在量程范围内可达±0.5 ℃;体积较小,封装方式为▽仅→有3个管脚的T0-92,可以方便的与涡街流量计的表体相连。
                            5.1.2压力检测电路
                              压力传感器采用压阻式压力传感器封装在不锈钢外壳内,不锈钢膜片将压力通过硅油传递到压力敏感芯片。上从而得.到成比例的线性㊣输出。
                              该压力传感器适用于中低压力测量,具有较高的精度和线性度,能够※实现零位校准和温度补偿,具有低功耗特性。
                              由于该压力传感器为压阻式,因此需恒流源供电。为了降低系统的功耗,使用了间歇供电的方案,即在要进行A/D采用∏时▂才给压力传感器和恒流源供电。压力传感器的输出信号通过减法电路得到压力差,经放大后供A/D采样。
                            5.2软件的实现
                              智能↓化系统♀的软件设计结合PIC单∩片机的特点采用了PIC的汇编语◤言,采用汇编语言便于提高系统效率,缩短程序执行时间,降低系统功耗。
                              为了便于软件设计,主程序分①为工作状态↓和置数状态,并为其编♀制不同的子程序。在主程序中,通过标志位确定主程序所要运行的子程序,不同的标志通过不同的中断来设置,例如:1 s定时中断∞将设置计算标志,外部中断将设置◣置数标志。这样既◆保证了①系统的实时性又体现了软件的结构化特点。工作状态用于对瞬时和累计流量的计算和显示。图6给出了计≡算子程序的流程图。置数状态用【于所选参数↘如平均仪表系数`K的置入。另外由于涡街流量计在小流量时易受到噪声的干扰,因此还增加了流量下限切除的功能,流量的下限也可以通过键盘置入。

                             
                              主程序√流程图如图7所示。
                             
                            6结论
                              表2给出了标定状☆态下,3台涡街流量传感器修正前后非线性↑误差的比较结果。
                             
                              本文分析了高精度气体涡街流量计测量误差产生的原因,并给出了一种基于雷诺数修正的方法,用高次函数拟合仪表系数K的特性曲线。通过对仪表系数K的非线性修正,提高了涡街流量计的计量精度。结合实际∩应用,通过对ξ压力、温度的补偿得到了与∑ 工况相对应标况下的流量,方便了用户的使用。

                            本文电磁流量计,江苏省苏科仪表♀有限公司为您★提供,转载☆请注明出处!!

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