摘(zhai)要:文中(zhong)以氣體(ti)渦街流(liu)量計 爲(wei)例,從流(liu)體力學(xue)的角度(du)分析了(le)渦街流(liu)量計測(ce)量誤差(cha)産生的(de)🔅原因,結(jie)合氣體(ti)測量的(de)特點,使(shi)用了一(yi)⛹🏻‍♀️種工程(cheng)化🐆的解(jie)決方法(fa)。并根據(ju)應用實(shi)際,給出(chu)了正确(que)的将工(gong)況流💚量(liang)轉化爲(wei)标況流(liu)量的軟(ruan)、硬件方(fang)案。
1引言(yan)
　　渦街流(liu)量計 又(you)稱卡門(men)渦街流(liu)量計,是(shi)利用流(liu)體流過(guo)障礙物(wu)時産生(sheng)穩定的(de)旋渦,通(tong)過測量(liang)旋渦産(chan)生的頻(pin)率而實(shi)現對流(liu)體流量(liang)的計量(liang)。
　　渦街流(liu)量計是(shi)70年代發(fa)展起來(lai)的一種(zhong)新型流(liu)量測量(liang)儀表。其(qi)優☁️點主(zhu)要有:儀(yi)表内部(bu)沒有可(ke)動部件(jian),結構簡(jian)✨單,使🔞用(yong)壽命長(zhang);測量範(fan)圍寬,--般(ban)情況量(liang)程比爲(wei)1:10~1:15;儀表輸(shu)🎯出爲頻(pin)率信号(hao)，易于實(shi)現數字(zi)化測量(liang);适用于(yu)多種介(jie)質測量(liang)4]。目前國(guo)内液體(ti)渦街流(liu)量計測(ce)量🐪精度(du)爲土1% ,氣(qi)體渦銜(xian)流量計(ji)爲+1.5%。這樣(yang)的精度(du)用于貿(mao)易結算(suan)計量是(shi)🚶‍♀️不能令(ling)人滿意(yi)的。本文(wen)以氣體(ti)🏒渦銜流(liu)量計爲(wei)💃研究對(dui)象，從流(liu)體力學(xue)的角度(du)分析渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)誤差産(chan)生的原(yuan)因,并給(gei)出👉了一(yi)種工程(cheng)化的解(jie)決方法(fa)。
2渦街流(liu)量計的(de)原理及(ji)測量誤(wu)差産生(sheng)的原因(yin)
　　渦街流(liu)量計是(shi)基于流(liu)體力學(xue)中著名(ming)的“卡門(men)渦街”研(yan)制的。在(zai)流動的(de)流體中(zhong)放置- -非(fei)流線型(xing)柱形體(ti),稱旋渦(wo)發生體(ti),當流體(ti)✔️沿旋渦(wo)發生體(ti)繞流時(shi),會在渦(wo)街發生(sheng)體下遊(you)産生兩(liang)列不對(dui)稱但有(you)規律的(de)交替旋(xuan)渦列,這(zhe)就是所(suo)謂🔞的卡(ka)門渦街(jie),如圖1所(suo)示。
 
　　大量(liang)的實驗(yan)和理論(lun)證明:穩(wen)定的渦(wo)街發生(sheng)頻率ƒ與(yu)來流速(su)度🌂v1及旋(xuan)渦發生(sheng)體的特(te)征寬度(du)d有如下(xia)确定💃關(guan)系叫:
 
　　式(shi)中St爲斯(si)特羅哈(ha)數,與雷(lei)諾數和(he)d相關。
　　當(dang)雷諾數(shu)Re在一定(ding)範圍内(nei)(3 X102~2 X105)時(4],St爲一(yi)常數,對(dui)于三角(jiao)柱🐕形旋(xuan)渦發生(sheng)體約爲(wei)0.16
　　雷諾數(shu)的定義(yi)爲
 
　　式中(zhong)S爲管道(dao)的橫截(jie)面積。
　　由(you)氣體渦(wo)街流量(liang)計的測(ce)量原理(li)可知,通(tong)過測量(liang)旋渦發(fa)生頻率(lü)僅能得(de)到旋渦(wo)發生體(ti)附近的(de)流速vI,由(you)🔞式(3)可💰知(zhi)在橫截(jie)面積一(yi)定的情(qing)況下,流(liu)體的流(liu)量Q與流(liu)體的平(ping)均流速(su)v成正比(bi),因此要(yao)正确計(ji)量流體(ti)的流量(liang)必須找(zhao)到`v與v1的(de)對應關(guan)系👅。
　　根據(ju)流體力(li)學理論(lun),在充分(fen)發展的(de)湍流狀(zhuang)态下，流(liu)體的✊速(su)度分🔞布(bu)有如下(xia)關系式(shi)川:
 
　　式中(zhong):vp爲到管(guan)壁距離(li)爲y的P點(dian)的速度(du);y爲點到(dao)管壁處(chu)的距離(li);Vmax:爲管道(dao)中的最(zui)大流速(su),通常取(qu)管道中(zhong)心的速(su)度;R爲管(guan)道的半(ban)徑;n爲雷(lei)🌈諾數的(de)函數。
表(biao)1中給出(chu)了部分(fen)雷諾數(shu)與n的對(dui)應關系(xi)。
 
　　由于旋(xuan)渦發生(sheng)體的位(wei)置固定(ding),因此當(dang)雷諾數(shu)一定時(shi)v1與`v有✊固(gu)🌍定的比(bi)例關系(xi)換言之(zhi),當雷諾(nuo)數Re變化(hua)時,二者(zhe)的比值(zhi)也發生(sheng)變化，
 
　　圖(tu)3給出了(le)不同雷(lei)諾數下(xia)充分發(fa)展的湍(tuan)流的流(liu)速分布(bu),如圖🆚所(suo)示Re越大(da),流速分(fen)布越平(ping)滑,即旋(xuan)渦發生(sheng)體附近(jin)的流速(su)🈲越接近(jin)平均流(liu)速,故ƒ( Re)應(ying)爲單調(diao)遞減函(han)數。圖4給(gei)出了3台(tai)50mm口徑，寬(kuan)度14 mm三角(jiao)形旋渦(wo)發生體(ti)的氣體(ti)渦銜流(liu)量計,在(zai)20℃,一個标(biao)準大氣(qi)壓下,不(bu)同雷諾(nuo)數下的(de)K值曲線(xian)。如圖所(suo)示實驗(yan)數據與(yu)理論分(fen)析基🎯本(ben)一緻,因(yin)此渦銜(xian)流量計(ji)的測💔量(liang)原理即(ji)決定了(le)儀表系(xi)數的非(fei)線性特(te)性。若要(yao)提高渦(wo)街流量(liang)計的計(ji)量㊙️精度(du),必須針(zhen)對不✊同(tong)的流速(su)分布對(dui)K值進行(hang)修正。
 
3标(biao)定狀态(tai)下K值的(de)修正
　　在(zai)20 ℃,一個标(biao)準大氣(qi)壓的标(biao)定狀态(tai)下,空氣(qi)的密度(du)和粘度(du)爲常數(shu),因此雷(lei)諾數僅(jin)與流體(ti)的平均(jun)流速相(xiang)關,ƒ在平(ping)均流速(su)`v有對🎯應(ying)關系,因(yin)此有如(ru)下函數(shu)關系:
 
　　對(dui)圖4中的(de)K值曲線(xian)研究發(fa)現,3條曲(qu)線形狀(zhuang)基本一(yi)緻,隻是(shi)平移的(de)程度不(bu)同。故可(ke)以爲同(tong)一口徑(jing)的渦街(jie)流量計(ji)确💛定一(yi)條特征(zheng)曲線函(han)數G(f),同時(shi)測定每(mei)台儀表(biao)的平均(jun)儀表💋系(xi)數`K,将二(er)者相😍乘(cheng)即可🌈得(de)到該台(tai)渦🏃街流(liu)量計在(zai)不同頻(pin)率下的(de)真實儀(yi)表系❄️數(shu),即:K=`K.G(ƒ)
　　在實(shi)際應用(yong)中将G(ƒ) 作(zuo)爲特定(ding)的子程(cheng)序,生産(chan)廠家根(gen)據✊标定(ding)結果置(zhi)入R即可(ke)。
4工作狀(zhuang)況下的(de)修正
　　氣(qi)體渦銜(xian)流量計(ji)使用的(de)工作狀(zhuang)況(簡稱(cheng)工況)通(tong)常🌐與❗标(biao)定狀态(tai)不同,由(you)于氣體(ti)的體積(ji)流量受(shou)溫度、壓(ya)力的影(ying)響比較(jiao)大,在🔞實(shi)際應用(yong)中通常(chang)将氣體(ti)在工㊙️況(kuang)下的體(ti)積折算(suan)爲标準(zhun)狀态下(xia)(0℃,一個标(biao)準大氣(qi)壓,簡稱(cheng)标況)的(de)體積進(jin)行結算(suan)和計量(liang),即對氣(qi)體進行(hang)✂️溫度、壓(ya)力的補(bu)償。
　　根據(ju)流體力(li)學中的(de)雷諾數(shu)相似原(yuan)則,即當(dang)流體的(de)雷諾數(shu)👨‍❤️‍👨相等時(shi)流體的(de)流速分(fen)布相似(si)”。故将工(gong)況下的(de)流動形(xing)态化爲(wei)标定狀(zhuang)态下的(de)流動形(xing)态,再通(tong)過🈲标定(ding)狀态下(xia)對速度(du)分布的(de)修正得(de)到與工(gong)況相對(dui)應的标(biao)定🌈流量(liang),最後将(jiang)正确修(xiu)☁️正後的(de)标🌈定流(liu)量通👄過(guo)理想氣(qi)體狀态(tai)方程折(she)算爲标(biao)況下☎️的(de)流量。采(cai)取以上(shang)方法是(shi)由于前(qian)面提到(dao)的🈲函數(shu)G(ƒ) 必須在(zai)标定狀(zhuang)态下得(de)到,而0℃,-個(ge)标準大(da)氣壓的(de)标定狀(zhuang)态比較(jiao)難得✏️到(dao),因此采(cai)用了兩(liang)步折算(suan)的方法(fa)。
 
　　故與工(gong)況對應(ying)的标定(ding)狀态下(xia)的旋渦(wo)發生體(ti)附近的(de)
 
　　由于此(ci)方法是(shi)基于雷(lei)諾數相(xiang)似原理(li)進行修(xiu)正的，因(yin)此普遍(bian)适用于(yu)各種氣(qi)體在非(fei)标定狀(zhuang)态下的(de)修正。
5修(xiu)正方法(fa)的實現(xian)
5.1硬件電(dian)路的實(shi)現 .
　　由上(shang)面的分(fen)析可知(zhi)要完成(cheng)對非标(biao)定狀态(tai)下氣體(ti)✔️流量的(de)🏒雷諾數(shu)修正,需(xu)要采集(ji)氣體的(de)溫度、壓(ya)力信号(hao),同時爲(wei)了完成(cheng)複雜的(de)修正算(suan)法,信号(hao)處理部(bu)分采用(yong)了以單(dan)片機爲(wei)核📐心的(de)智能化(hua)系統設(she)計。單片(pian)機爲Mi-crochip公(gong)司的PIC16F877。 16F877具(ju)有8 K的FLASH程(cheng)序存儲(chu)器,368字節(jie)的RAM及256字(zi)節的💃E2PROM，這(zhe)爲複雜(za)算⛱️法的(de)實現和(he)大量數(shu)據的存(cun)儲提供(gong)了♈良好(hao)基礎。16F877 具(ju)有片内(nei)的AD轉化(hua)器,可以(yi)簡化電(dian)路設計(ji),能夠方(fang)便的與(yu)溫度、壓(ya)力檢測(ce)放大電(dian)，路連接(jie),利于電(dian)路的緊(jin)湊化設(she)計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,降低(di)成本。片(pian)上的WATCHDOG可(ke)以保證(zheng)程🥵序的(de)可靠運(yun)行。此外(wai)PICI6F877的端口(kou)B具有電(dian)平變化(hua)中斷的(de)功能,此(ci)功能可(ke)以方便(bian)的實現(xian)簡單的(de)鍵💁盤接(jie)口電路(lu)。圖5爲系(xi)統硬件(jian)原理框(kuang)⚽圖。
 
　　爲了(le)滿足儀(yi)表現場(chang)顯示(即(ji)電池供(gong)電)的需(xu)要,儀表(biao)在傳🚩感(gan)器選擇(ze)和電路(lu)設計上(shang)都體現(xian)了低功(gong)耗的特(te) 點。
5.1.1溫度(du)檢測電(dian)路
　　溫度(du)傳感器(qi)選用了(le)溫度傳(chuan)感器,該(gai)溫度傳(chuan)感器是(shi)基于半(ban)導🈲體測(ce)溫原理(li)制成的(de)。該傳感(gan)器量程(cheng)範圍✊較(jiao)寬(-40~125℃ ;輸出(chu)電壓信(xin)号🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,經放(fang)大後可(ke)以方便(bian)的同單(dan)片機的(de)A/D接口連(lian)接;在量(liang)程範圍(wei)内有較(jiao)好😘的線(xian)性度,10 mV/ C;精(jing)度較高(gao),在量程(cheng)範圍内(nei)可達±0.5 ℃;體(ti)積較小(xiao),封🤩裝方(fang)式爲僅(jin)有3個管(guan)腳的T0-92,可(ke)以方便(bian)的與渦(wo)街流量(liang)計的表(biao)體㊙️相連(lian)。
5.1.2壓力檢(jian)測電路(lu)
　　壓力傳(chuan)感器采(cai)用壓阻(zu)式壓力(li)傳感器(qi)封裝在(zai)不鏽鋼(gang)外⭐殼内(nei),不鏽鋼(gang)膜片将(jiang)壓力通(tong)過矽油(you)傳遞到(dao)壓力敏(min)感芯片(pian)。上從而(er)得.到成(cheng)比例的(de)線性輸(shu)出。
　　該壓(ya)力傳感(gan)器适用(yong)于中低(di)壓力測(ce)量，具有(you)較高的(de)精🐆度和(he)線性度(du),能夠實(shi)現零位(wei)校準和(he)溫度補(bu)償，具有(you)低功耗(hao)特性。
　　由(you)于該壓(ya)力傳感(gan)器爲壓(ya)阻式,因(yin)此需恒(heng)流源供(gong)電💋。爲了(le)降低系(xi)👉統的功(gong)耗,使用(yong)了間歇(xie)供電的(de)方案,即(ji)在要進(jin)行A/D采用(yong)時才給(gei)壓♌力傳(chuan)感器和(he)恒流源(yuan)供電✨。壓(ya)力傳感(gan)器的輸(shu)出信💋号(hao)通過🎯減(jian)法電路(lu)得到壓(ya)力差,經(jing)放大後(hou)供A/D采樣(yang)。
5.2軟件的(de)實現
　　智(zhi)能化系(xi)統的軟(ruan)件設計(ji)結合PIC單(dan)片機的(de)特點采(cai)用了PIC的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻彙😘編語(yu)言,采用(yong)彙編語(yu)言便于(yu)提高系(xi)統效率(lü),縮短👨‍❤️‍👨程(cheng)序執行(hang)時間💃🏻,降(jiang)低系統(tong)功耗。
　　爲(wei)了便于(yu)軟件設(she)計,主程(cheng)序分爲(wei)工作狀(zhuang)态和置(zhi)數🈲狀态(tai)，并爲其(qi)編制不(bu)同的子(zi)程序。在(zai)主程序(xu)中,通過(guo)标志位(wei)确定主(zhu)程序所(suo)要運行(hang)的子程(cheng)序,不同(tong)的标志(zhi)通過不(bu)同的中(zhong)斷來設(she)置,例✨如(ru):1 s定時中(zhong)斷将設(she)置計算(suan)标志,外(wai)部中斷(duan)将設置(zhi)置數标(biao)志。這💋樣(yang)既保證(zheng)🌈了系統(tong)的實♍時(shi)性又體(ti)現了軟(ruan)件的結(jie)構化特(te)點。工🙇‍♀️作(zuo)狀态用(yong)于對🔞瞬(shun)時和累(lei)計流量(liang)的計算(suan)和顯示(shi)。圖6給出(chu)了計算(suan)子程序(xu)的流程(cheng)圖。置數(shu)狀态用(yong)于所選(xuan)參🔴數如(ru)平均儀(yi)表系數(shu)`K的置入(ru)。另外由(you)于👈渦街(jie)流量計(ji)在小流(liu)量時易(yi)受到噪(zao)聲的幹(gan)擾,因此(ci)還增加(jia)了🏃流量(liang)下限切(qie)除的功(gong)能,流量(liang)的下限(xian)也可以(yi)通過鍵(jian)盤置入(ru)。

 
　　主程序(xu)流程圖(tu)如圖7所(suo)示。
 
6結論(lun)
　　表2給出(chu)了标定(ding)狀态下(xia),3台渦街(jie)流量傳(chuan)感器修(xiu)正前後(hou)非線🌈性(xing)誤差的(de)比較結(jie)果。
 
　　本文(wen)分析了(le)氣體渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)誤差産(chan)生的原(yuan)因,并給(gei)出了一(yi)種基于(yu)雷諾數(shu)修正的(de)方法,用(yong)高次函(han)數拟合(he)儀表系(xi)數K的特(te)🙇‍♀️性曲線(xian)。通過對(dui)儀表系(xi)數K的非(fei)線性修(xiu)正,提高(gao)了渦街(jie)流量計(ji)的計量(liang)精度。結(jie)合實際(ji)應用,通(tong)過對👨‍❤️‍👨壓(ya)力、溫度(du)的補償(chang)得到了(le)與工況(kuang)相對應(ying)标🌂況下(xia)的流量(liang),方便了(le)用戶的(de)使用。

以(yi)上内容(rong)源于網(wang)絡，如有(you)侵權聯(lian)系即删(shan)除!