摘要:文(wén)中以氣體渦(wō)街流量計 爲(wei)例,從流體力(li)學的角度分(fèn)析了渦街流(liu)量計測量誤(wù)差産生的☀️原(yuán)因,結合氣體(ti)測量的特點(diǎn),使用了一種(zhong)工程化的解(jie)決方法。并根(gen)據應用實際(jì),給出了正🐇确(que)的将工況流(liu)量轉化爲标(biāo)況🙇🏻流量的軟(ruǎn)、硬件方案✉️。
1引(yin)言
　　渦街流量(liang)計 又稱卡門(mén)渦街流量計(ji),是利用流體(tǐ)流過障礙物(wu)時産㊙️生穩定(dìng)的旋渦,通過(guò)測量旋渦産(chǎn)生的頻率而(er)實現對👨‍❤️‍👨流體(ti)流量🥰的計量(liàng)。
　　渦街流量計(jì)是70年代發展(zhǎn)起來的一種(zhǒng)新型流量測(ce)量儀表🧡。其優(yōu)點主要有:儀(yí)表内部沒有(yǒu)可動部件,結(jié)構簡單,使用(yòng)壽😘命長👅;測量(liang)範圍寬,--般情(qing)況量程比爲(wei)1:10~1:15;儀表輸出爲(wei)頻率信号，易(yi)于實現數字(zi)📧化測量;适用(yong)于多種介🤟質(zhi)測量4]。目前國(guó)内液體渦街(jiē)流量計測量(liang)精度爲土1% ,氣(qi)體渦銜流量(liàng)計爲+1.5%。這樣的(de)精度用于貿(mao)❓易結算計量(liàng)是不能令人(ren)滿意的。本文(wén)以氣體✌️渦銜(xián)流量計爲研(yan)究對象，從流(liu)體力學的☂️角(jiǎo)度分析渦街(jie)🔞流量計測量(liang)誤差産生的(de)原因,并給出(chu)了一種工程(chéng)化的解決🏃‍♀️方(fang)法。
2渦街流量(liàng)計的原理及(jí)測量誤差産(chan)生的原因
　　渦(wo)街流量計是(shì)基于流體力(lì)學中著名的(de)“卡門渦街”研(yan)制的。在流動(dòng)的流體中放(fàng)置- -非流線型(xing)柱形體,稱旋(xuán)渦㊙️發生體,當(dāng)流體沿旋渦(wo)發生體繞流(liú)時,會在渦街(jie)發生體下遊(yóu)🔆産生兩列不(bu)對☂️稱但有規(guī)律的交替旋(xuán)渦列,這就是(shì)所謂的卡門(men)渦街,如圖1所(suǒ)示。
 
　　大量的實(shi)驗和理論證(zheng)明:穩定的渦(wo)街發生頻率(lǜ)ƒ與👌來流速度(dù)v1及🍉旋渦發生(shēng)體的特征寬(kuān)度d有如下确(què)定關系叫:
 
　　式(shì)中St爲斯特羅(luó)哈數,與雷諾(nuo)數和d相關。
　　當(dang)雷諾數Re在一(yī)定範圍内(3 X102~2 X105)時(shi)(4],St爲一常數,對(duì)于三角柱🔱形(xing)♊旋💃🏻渦發🏃‍♂️生體(tǐ)約爲0.16
　　雷諾數(shu)的定義爲
 
　　式(shì)中S爲管道的(de)橫截面積。
　　由(yóu)氣體渦街流(liú)量計的測量(liang)原理可知,通(tong)過測量旋渦(wo)♍發💁生頻率僅(jin)能得到旋渦(wō)發生體附近(jìn)的流速vI,由式(shì)(3)可❓知在橫截(jie)面積🙇‍♀️一定🍓的(de)情況下,流體(tǐ)的流量Q與流(liu)體的平均流(liu)速v成正♌比,因(yīn)此要正确計(ji)量流體的流(liu)量必須找到(dao)`v與v1的對應關(guan)系。
　　根據流體(tǐ)力學理論,在(zai)充分發展的(de)湍流狀态下(xià)，流體的速🏒度(du)分布有如下(xia)關系式川:
 
　　式(shi)中:vp爲到管壁(bi)距離爲y的P點(dian)的速度;y爲點(diǎn)到管壁處的(de)🙇‍♀️距離⚽;Vmax:爲管道(dào)中的最大流(liu)速,通常取管(guǎn)道中心的速(sù)度;R爲管道的(de)半徑;n爲雷諾(nuò)數的函數。
表(biao)1中給出了部(bu)分雷諾數與(yǔ)n的對應關系(xì)。
 
　　由于旋渦發(fā)生體的位置(zhì)固定,因此當(dāng)雷諾數一定(dìng)時v1與`v有固定(ding)的比例關系(xi)換言之,當雷(lei)諾數Re變化時(shí),二者的比值(zhi)也發生變化(huà)，
 
　　圖3給出了不(bú)同雷諾數下(xià)充分發展的(de)湍流的流速(sù)分布🐆,如圖所(suǒ)示Re越大,流速(su)分布越平滑(huá),即旋渦發生(shēng)體附近的👨‍❤️‍👨流(liu)速🏃🏻越接近平(píng)均流速,故ƒ( Re)應(ying)爲單調遞減(jiǎn)函數。圖4給出(chu)了3台50mm口徑，寬(kuān)度14 mm三角形旋(xuán)渦發生體的(de)氣體渦銜流(liú)量計,在20℃,一個(gè)标準大氣壓(ya)下,不同雷諾(nuò)數下的K值曲(qu)線。如圖所示(shì)實驗數據與(yu)理論分析基(jī)🌈本一緻,因此(ci)渦銜流量計(jì)的測量原理(li)即決定了儀(yi)表系數的非(fei)線性特性。若(ruo)要提高渦街(jie)流量計的計(ji)量精度,必須(xu)針對不⚽同的(de)流速分布對(dui)K值🈲進行修正(zheng)。
 
3标定狀态下(xià)K值的修正
　　在(zài)20 ℃,一個标準大(da)氣壓的标定(ding)狀态下,空氣(qi)的密度和粘(zhān)度🐇爲常數🌍,因(yīn)此雷諾數僅(jin)與流體的平(píng)均流速相關(guan),ƒ在平均流速(su)🤟`v有對應關♌系(xì),因此有如下(xià)函數關系:
 
　　對(dui)圖4中的K值曲(qǔ)線研究發現(xian),3條曲線形狀(zhuàng)基本一緻,隻(zhi)是🏒平移的🥵程(chéng)度不同。故可(ke)以爲同一口(kǒu)徑的渦街流(liu)量計确✂️定一(yi)條特征曲🔴線(xiàn)函數G(f),同時測(cè)定每台儀表(biǎo)的平均儀表(biao)💔系數`K,将🚶‍♀️二者(zhe)相乘即可得(dé)到該台渦街(jie)流量計在不(bú)同頻🏃🏻率下的(de)真實儀表系(xi)數,即:K=`K.G(ƒ)
　　在實際(jì)應用中将G(ƒ) 作(zuò)爲特定的子(zǐ)程序,生産廠(chǎng)家根據标🛀定(ding)結果置入R即(jí)可。
4工作狀況(kuang)下的修正
　　氣(qì)體渦銜流量(liàng)計使用的工(gong)作狀況(簡稱(chēng)工況)通常與(yǔ)标定😍狀态不(bu)同,由于氣體(tǐ)的體積流量(liang)受溫度、壓力(li)的影響比較(jiao)大,在實際🏃‍♂️應(ying)用中通常将(jiang)氣體在工況(kuàng)下的♋體積折(shé)算爲标準狀(zhuang)态👌下(0℃,一個标(biao)準大氣壓,簡(jiǎn)稱标況♉)的體(ti)積進行結算(suàn)和計量,即對(dui)🚶‍♀️氣體進行溫(wen)度、壓力的補(bu)償。
　　根據流體(tǐ)力學中的雷(lei)諾數相似原(yuan)則,即當流體(ti)的雷諾數相(xiang)等時流體的(de)流速分布相(xiàng)似”。故将工況(kuàng)下🔅的流動形(xing)态化爲标定(dìng)狀态下的流(liu)動形态,再通(tōng)過标定狀态(tài)下對速度分(fen)布的修🈲正得(dé)到與工況相(xiàng)對❌應的标定(dìng)流量,最後🐇将(jiang)正确修正後(hòu)的标定流量(liang)通過理想氣(qì)體狀态方程(chéng)折❤️算爲标況(kuàng)下的流量。采(cai)取以上方法(fǎ)是由于前面(miàn)提到的函數(shu)G(ƒ) 必須在标定(ding)狀态下得到(dao),而0℃,-個标♌準大(da)氣壓的标定(dìng)狀态比較難(nan)得‼️到,因此采(cǎi)用了兩步折(she)算的方法。
 
　　故(gu)與工況對應(ying)的标定狀态(tài)下的旋渦發(fa)生體附近的(de)
 
　　由于此方法(fǎ)是基于雷諾(nuò)數相似原理(li)進行修正的(de)，因此普遍🐉适(shì)✏️用于各種氣(qi)體在非标定(dìng)狀态下的修(xiu)正。
5修正方法(fǎ)的實現
5.1硬件(jiàn)電路的實現(xian) .
　　由上面的分(fen)析可知要完(wán)成對非标定(ding)狀态下氣體(ti)流量的雷諾(nuo)數修正,需要(yào)采集氣體的(de)溫度、壓力信(xìn)号,同時爲了(le)完成複雜的(de)🔆修正算法,信(xìn)号處理部分(fen)采用了㊙️以單(dān)片機爲核心(xīn)的智能化系(xi)統設計。單片(piàn)機爲Mi-crochip公司的(de)PIC16F877。 16F877具有8 K的✍️FLASH程序(xù)存儲器,368字節(jie)的RAM及256字節的(de)E2PROM，這爲複雜算(suan)法的實現和(he)大量數據的(de)🈲存儲提供了(le)㊙️良好基礎。16F877 具(ju)有片内的AD轉(zhuan)化器,可以簡(jian)化電路設計(ji),能夠方便的(de)與溫度、壓力(lì)檢測放大電(dian)，路連接,利于(yú)📱電路的緊湊(còu)化設計,降低(dī)成本。片上的(de)WATCHDOG可以保證程(chéng)序的可靠運(yùn)行。此外PICI6F877的端(duan)口B具⛹🏻‍♀️有電平(píng)變化中斷的(de)👄功能,此功能(néng)可以♻️方便的(de)實現簡單的(de)鍵盤接口電(diàn)路。圖5爲系統(tǒng)㊙️硬件原理框(kuàng)圖。
 
　　爲了滿足(zú)儀表現場顯(xian)示(即電池供(gòng)電)的需要,儀(yi)表在傳感器(qi)選擇和電路(lu)設計上都體(ti)現了低功耗(hào)的特 點。
5.1.1溫度(du)檢測電路
　　溫(wen)度傳感器選(xuǎn)用了溫度傳(chuan)感器,該溫度(du)傳感器是基(ji)☀️于半導體測(ce)溫原理制成(cheng)的。該傳感器(qì)量程範圍較(jiao)寬(-40~125℃ ;輸出電壓(yā)⭐信号,經放大(dà)後可以方便(bian)的同單片機(jī)的A/D接❤️口連接(jie);在量程範圍(wei)内有較好👌的(de)線性度,10 mV/ C;精度(dù)較高,在量程(cheng)範圍内可達(da)±0.5 ℃;體積較小,封(fēng)裝方式爲僅(jǐn)有3個管腳❓的(de)T0-92,可以方便的(de)與渦街流🈲量(liang)計的表體相(xiang)連。
5.1.2壓力檢測(ce)電路
　　壓力傳(chuán)感器采用壓(ya)阻式壓力傳(chuan)感器封裝在(zai)不鏽鋼外☔殼(ké)内,不鏽鋼膜(mó)片将壓力通(tōng)過矽油傳遞(dì)到壓力敏感(gan)芯片。上🧑🏽‍🤝‍🧑🏻從而(ér)得.到成比例(lì)的線性輸出(chū)。
　　該壓力傳感(gǎn)器适用于中(zhong)低壓力測量(liang)，具有較高的(de)精度和線性(xing)☂️度,能夠實現(xian)零位校準和(he)溫度補償，具(jù)💋有低功耗特(tè)性。
　　由于該壓(ya)力傳感器爲(wèi)壓阻式,因此(cǐ)需恒流源供(gong)電。爲了降低(dī)系統的功耗(hào),使用了間歇(xiē)供電的方案(an),即在要🌈進行(háng)A/D采用時才給(gei)壓力傳感器(qi)和恒流源供(gong)電。壓力傳感(gǎn)器的🔞輸出信(xin)号通過減法(fǎ)電路得到壓(ya)力差,經放大(dà)後供A/D采樣。
5.2軟(ruan)件的實現
　　智(zhi)能化系統的(de)軟件設計結(jie)合PIC單片機的(de)特點采用了(le)PIC的彙編📱語言(yán),采用彙編語(yu)言便于提高(gāo)系統效率🔞,縮(suō)短程序執行(hang)❗時間☀️,降低🐅系(xì)統功耗。
　　爲了(le)便于軟件設(she)計,主程序分(fen)爲工作狀态(tài)和置數狀态(tài)，并爲其編制(zhì)不同的子程(chéng)序。在主程序(xu)中,通過标志(zhi)位确定主程(chéng)序所要運行(háng)的子程序,不(bú)同的标志通(tōng)過不同的📞中(zhōng)斷來設置,例(li)如:1 s定時中斷(duàn)将設置🈲計算(suàn)标志,外部中(zhōng)斷将設置置(zhì)數标志。這樣(yang)既保證了系(xi)統的實時性(xìng)又體現😘了軟(ruǎn)件的結構化(hua)特點。工🈚作狀(zhuàng)态用于對瞬(shùn)時和累計流(liu)🐉量的計算和(hé)顯示。圖6給出(chū)了計算子程(chéng)序的流程圖(tu)。置數狀态用(yong)于所選參數(shù)如平均儀表(biǎo)系🐉數`K的置入(ru)。另外由于⭕渦(wo)街流量計在(zài)小流🔴量時易(yi)受到🔱噪聲的(de)幹擾,因此還(hai)增加了流量(liang)下限切除的(de)功能,流✊量的(de)下限也可以(yi)通過鍵👈盤置(zhì)入。

 
　　主程序流(liú)程圖如圖7所(suǒ)示。
 
6結論
　　表2給(gěi)出了标定狀(zhuang)态下,3台渦街(jiē)流量傳感器(qì)修正前💞後✍️非(fei)線性誤差的(de)比較結果。
 
　　本(běn)文分析了氣(qi)體渦街流量(liang)計測量誤差(cha)産生的原因(yin),并給出了一(yī)種基于雷諾(nuo)數修正的方(fāng)法,用高次函(hán)數拟合儀表(biǎo)系數K的特性(xing)曲線。通過對(dui)儀表系數K的(de)非線性修正(zhèng),提高了渦街(jie)流量計的計(ji)量精度。結合(hé)實際應💔用,通(tōng)過對壓力、溫(wēn)度💰的補償得(de)🈲到了與工況(kuàng)相對應标況(kuang)下的流量💰,方(fāng)便了用戶的(de)使用。

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