摘要(yào):文中以(yǐ)氣體渦(wō)街流量(liang)計 爲例(lì),從流體(tǐ)力學的(de)角度分(fen)析了渦(wō)街流量(liang)計測量(liang)誤差産(chan)生的原(yuan)因,結合(he)氣體測(cè)量的特(tè)點,使用(yòng)了一種(zhǒng)工程化(huà)的解決(jué)方法。并(bìng)根據應(ying)用實際(ji),給出了(le)正确的(de)将💋工況(kuang)流量轉(zhuan)化爲标(biao)況流量(liàng)的軟、硬(yìng)件方案(àn)。
1引言
　　渦(wō)街流量(liang)計 又稱(chēng)卡門渦(wo)街流量(liang)計,是利(li)用流體(tǐ)流過障(zhang)礙物時(shí)👈産生🔞穩(wěn)🛀定的旋(xuán)渦,通過(guo)測量旋(xuan)渦産生(shēng)的頻率(lǜ)而實🏒現(xiàn)對🏃‍♀️流體(tǐ)流量的(de)計量。
　　渦(wō)街流量(liàng)計是70年(nian)代發展(zhan)起來的(de)一種新(xīn)型流量(liang)測量儀(yi)表。其🍉優(yōu)點主要(yao)有:儀表(biao)内部沒(mei)有可動(dong)部件,結(jié)構簡單(dān),使用壽(shou)命長;測(cè)量範圍(wei)寬,--般情(qing)況量程(cheng)比爲1:10~1:15;儀(yi)表輸出(chū)爲頻🌈率(lǜ)信号，易(yì)于實現(xian)數字化(hua)測量;适(shi)用于多(duō)種介質(zhì)測量4]。目(mù)🌈前國内(nèi)液體渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)精度爲(wei)土1% ,氣體(ti)渦銜流(liu)量計爲(wei)+1.5%。這樣的(de)精度用(yòng)于貿易(yi)結算計(jì)量是不(bú)能令人(ren)滿意的(de)。本文以(yǐ)氣體渦(wo)銜🚩流量(liàng)計爲研(yan)究對🏃🏻象(xiàng)，從流體(ti)力學的(de)🔞角度分(fèn)析渦街(jie)流量計(ji)測量誤(wù)差産生(shēng)的原因(yin),并給出(chu)了一種(zhǒng)工程化(hua)的解決(jué)方法。
2渦(wo)街流量(liàng)計的原(yuán)理及測(cè)量誤差(chà)産生的(de)原因
　　渦(wo)街流量(liàng)計是基(jī)于流體(ti)力學中(zhong)著名的(de)“卡門渦(wō)街”研制(zhi)的🏃🏻‍♂️。在流(liú)動的流(liu)體中放(fang)置- -非流(liú)線型柱(zhu)形體,稱(chēng)旋渦發(fa)生體,當(dāng)流體沿(yan)旋渦發(fa)生體繞(rao)流時,會(hui)在渦✍️街(jiē)發生體(tǐ)下遊🌈産(chǎn)生兩列(lie)不對稱(chēng)但有規(guī)律的交(jiāo)替旋渦(wo)列,這就(jiù)是所謂(wei)的卡門(mén)渦街,如(rú)圖1所示(shì)。
 
　　大量的(de)實驗和(he)理論證(zheng)明:穩定(dìng)的渦街(jie)發生頻(pín)率ƒ與來(lái)流❗速度(dù)v1及旋渦(wo)發生體(tǐ)的特征(zhēng)寬度d有(you)如下确(què)定關系(xì)叫:
 
　　式中(zhong)St爲斯特(te)羅哈數(shu),與雷諾(nuo)數和d相(xiang)關。
　　當雷(léi)諾數Re在(zài)一定範(fan)圍内(3 X102~2 X105)時(shí)(4],St爲一常(cháng)數,對于(yu)三角柱(zhu)形🧑🏽‍🤝‍🧑🏻旋渦(wō)💁發生體(ti)約爲0.16
　　雷(lei)諾數的(de)定義爲(wèi)
 
　　式中S爲(wèi)管道的(de)橫截面(mian)積。
　　由氣(qi)體渦街(jie)流量計(jì)的測量(liang)原理可(kě)知,通過(guò)測量旋(xuan)渦發生(shēng)頻率僅(jin)能得到(dao)旋渦發(fa)生體附(fù)近的流(liu)速vI,由式(shi)(3)可知在(zài)橫截面(miàn)積一定(dìng)🈲的情況(kuang)下,流體(tǐ)的流量(liàng)Q與流體(tǐ)的平均(jun)流速v成(cheng)正🥵比,因(yin)此要正(zheng)确計量(liang)流體的(de)流量必(bi)須找到(dào)`v與v1的對(dui)應關系(xì)。
　　根據流(liu)體力學(xue)理論,在(zai)充分發(fā)展的湍(tuān)流狀态(tài)下，流體(tǐ)的速度(dù)分布有(yǒu)如下關(guān)系式川(chuan):
 
　　式中:vp爲(wèi)到管壁(bi)距離爲(wèi)y的P點的(de)速度;y爲(wèi)點到管(guan)壁處的(de)距離;Vmax:爲(wèi)管道中(zhong)的最大(da)流速,通(tong)常取管(guan)道中心(xin)的🏃‍♀️速度(du);R爲管道(dao)的半徑(jing);n爲雷諾(nuò)數的函(han)數。
表1中(zhong)給出了(le)部分雷(léi)諾數與(yǔ)n的對應(ying)關系。
 
　　由(you)于旋渦(wō)發生體(ti)的位置(zhì)固定,因(yin)此當雷(léi)諾數一(yi)定時v1與(yu)`v有🏃固定(dìng)的比例(lì)關系換(huàn)言之,當(dāng)雷諾數(shù)Re變化時(shí),二者的(de)比值也(yě)🤞發生⭐變(biàn)化，
 
　　圖3給(gei)出了不(bu)同雷諾(nuò)數下充(chong)分發展(zhǎn)的湍流(liu)的流速(sù)分布,如(ru)圖所示(shi)Re越大,流(liu)速分布(bu)越平滑(hua),即旋渦(wo)發生體(tǐ)附近的(de)♻️流速越(yuè)接近平(píng)均流速(su),故ƒ( Re)應爲(wèi)單調遞(di)減函數(shù)。圖4給出(chū)了3台50mm口(kǒu)徑，寬度(dù)14 mm三🏃‍♂️角形(xing)旋渦發(fa)生體的(de)氣體渦(wo)銜流量(liang)計,在20℃,一(yī)個标準(zhǔn)大氣壓(ya)下,不同(tong)雷諾數(shù)下的K值(zhí)曲線。如(ru)圖所示(shi)實驗數(shù)據與📱理(li)論分析(xi)基本一(yī)緻,因此(cǐ)渦⛱️銜流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理即決(jué)定了儀(yí)表系數(shu)的非線(xian)性㊙️特性(xing)。若要提(ti)高渦街(jiē)流量計(jì)的計量(liàng)精度,必(bì)須針對(dui)不🙇🏻同的(de)流速分(fèn)布對🐆K值(zhí)進行修(xiu)正。
 
3标定(dìng)狀态下(xià)K值的修(xiū)正
　　在20 ℃,一(yī)個标準(zhun)大氣壓(ya)的标定(ding)狀态下(xia),空氣的(de)密度和(he)粘度👉爲(wei)🚩常數,因(yīn)此雷諾(nuo)數僅與(yu)流體的(de)平均流(liú)速相關(guan),ƒ在平均(jun)流速`v有(you)對應關(guān)系,因此(ci)有如下(xia)函數關(guan)系:
 
　　對圖(tú)4中的K值(zhi)曲線研(yan)究發現(xiàn),3條曲線(xian)形狀基(ji)本一緻(zhì),隻是🐇平(ping)‼️移的程(cheng)度不同(tóng)。故可以(yi)爲同一(yi)口徑的(de)渦街流(liu)量計确(què)定一條(tiáo)特征曲(qǔ)線函數(shù)G(f),同時測(cè)定每台(tái)儀表的(de)平均儀(yi)表系數(shu)`K,将二者(zhe)相乘即(jí)可🌐得到(dào)該台渦(wō)街流量(liang)計在不(bu)同頻率(lǜ)下的真(zhen)實儀表(biǎo)系🐆數,即(jí):K=`K.G(ƒ)
　　在實際(ji)應用中(zhong)将G(ƒ) 作爲(wei)特定的(de)子程序(xu),生産廠(chang)家根據(jù)☀️标♍定結(jie)果⭐置入(ru)R即可。
4工(gōng)作狀況(kuang)下的修(xiū)正
　　氣體(ti)渦銜流(liú)量計使(shǐ)用的工(gong)作狀況(kuang)(簡稱工(gōng)況)通常(chang)與标定(dìng)狀态不(bu)同,由于(yú)氣體的(de)體積流(liu)量受溫(wēn)度、壓力(li)的影響(xiang)比較大(da),在實際(ji)應用中(zhong)通常将(jiang)氣體在(zai)工況下(xià)的體積(jī)折算爲(wei)标🚶‍♀️準狀(zhuang)态🏃下(0℃,一(yi)個✍️标準(zhǔn)大氣壓(yā),簡稱标(biāo)況)的體(ti)積進行(hang)結算和(he)♍計量,即(ji)對🐅氣體(tǐ)進行溫(wen)度、壓力(lì)的補償(chang)。
　　根據流(liú)體力學(xue)中的雷(lei)諾數相(xiàng)似原則(zé),即當流(liu)體的雷(lei)諾數相(xiang)等時流(liú)體的流(liú)速分布(bù)相似”。故(gù)将工況(kuàng)下的流(liu)🌐動形态(tài)化爲标(biao)定狀态(tai)下的流(liú)動形态(tai),再通過(guo)标定狀(zhuang)态下對(dui)速度分(fen)布的修(xiū)正得到(dao)與工況(kuang)相對應(yīng)的标定(ding)流量,最(zuì)後将正(zhèng)确修正(zhèng)後的标(biao)❤️定流量(liang)通過理(li)想氣體(ti)狀态方(fang)程折算(suan)爲标況(kuàng)下的流(liú)量。采取(qu)💁以上方(fāng)法是由(you)🏃于前面(miàn)提到的(de)函數G(ƒ) 必(bì)須在标(biao)定狀态(tài)下得到(dào),而0℃,-個标(biao)準大氣(qì)💞壓的标(biao)定狀态(tai)比較難(nan)得到,因(yin)此采用(yong)了兩步(bu)🏃🏻‍♂️折算的(de)方法。
 
　　故(gu)與工況(kuang)對應的(de)标定狀(zhuàng)态下的(de)旋渦發(fa)生體附(fù)近的
 
　　由(you)于此方(fāng)法是基(jī)于雷諾(nuò)數相似(si)原理進(jìn)行修正(zheng)的，因此(cǐ)普遍♻️适(shì)用于各(gè)種氣體(tǐ)在非标(biao)定狀态(tài)下的修(xiu)正。
5修正(zheng)方法的(de)實現
5.1硬(ying)件電路(lu)的實現(xian) .
　　由上面(miàn)的分析(xī)可知要(yao)完成對(duì)非标定(ding)狀态下(xia)氣體流(liú)☁️量的雷(léi)諾數修(xiū)正,需要(yao)采集氣(qì)體的溫(wen)度、壓力(lì)信🔱号,同(tóng)時爲了(le)完成複(fú)雜的修(xiū)正算法(fa),信号處(chu)理部分(fen)采用了(le)以單片(pian)機爲核(he)心的智(zhi)能化系(xi)統設計(jì)。單片💚機(jī)爲Mi-crochip公司(si)的PIC16F877。 16F877具有(you)8 K的FLASH程序(xù)存儲器(qi),368字節的(de)RAM及256字節(jie)的E2PROM，這爲(wei)複雜算(suan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻法的實(shi)現和大(dà)量數據(ju)的存儲(chu)提供了(le)良好基(ji)礎。16F877 具有(yǒu)片内的(de)AD轉化器(qì),可以簡(jian)化電路(lù)設計,能(néng)夠方便(biàn)的與溫(wēn)度、壓力(li)檢測放(fàng)大電，路(lu)連接,利(lì)于電路(lu)的緊湊(cou)化設計(jì),降低成(chéng)本。片上(shàng)的WATCHDOG可以(yi)保證程(chéng)✏️序的可(kě)靠🏒運行(hang)。此外PICI6F877的(de)端口B具(ju)有電平(ping)變化中(zhōng)斷的功(gōng)能,此功(gong)能可以(yǐ)方便的(de)❓實現簡(jiǎn)單的鍵(jian)盤接口(kou)電路。圖(tu)5爲系統(tong)硬件原(yuan)理框圖(tú)。
 
　　爲了滿(man)足儀表(biǎo)現場顯(xiǎn)示(即電(dian)池供電(diàn))的需要(yào),儀表在(zai)傳✉️感器(qi)㊙️選😘擇和(hé)電路設(she)計上都(dou)體現了(le)低功耗(hào)的特 點(diǎn)♋。
5.1.1溫度檢(jiǎn)測電路(lu)
　　溫度傳(chuán)感器選(xuan)用了溫(wēn)度傳感(gǎn)器,該溫(wēn)度傳感(gǎn)器是基(jī)于半導(dǎo)體測溫(wēn)原理制(zhì)成的。該(gai)傳感器(qi)量程範(fàn)圍較寬(kuān)(-40~125℃ ;輸出電(dian)壓信号(hào),經放大(dà)後可以(yǐ)方便的(de)同單片(pian)機的A/D接(jie)口連接(jiē);在量程(cheng)範圍内(nei)有較好(hao)的線性(xìng)度,10 mV/ C;精度(du)較高,在(zai)量程範(fan)圍内可(kě)達±0.5 ℃;體積(jī)較小,封(feng)👉裝方式(shi)爲♈僅有(yǒu)3個管腳(jiǎo)的T0-92,可以(yǐ)方便的(de)與渦街(jie)流量計(ji)的表體(tǐ)相連。
5.1.2壓(yā)力檢測(ce)電路
　　壓(yā)力傳感(gǎn)器采用(yòng)壓阻式(shi)壓力傳(chuán)感器封(feng)裝在不(bu)鏽鋼外(wai)殼🍓内,不(bú)鏽鋼膜(mó)片将壓(yā)力通過(guo)矽油傳(chuan)遞到壓(yā)力敏感(gǎn)芯片。上(shang)從而得(dé).到成比(bǐ)例的線(xian)性輸出(chū)。
　　該壓力(li)傳感器(qi)适用于(yú)中低壓(ya)力測量(liang)，具有較(jiào)高的精(jīng)🛀度和♻️線(xiàn)🔴性度,能(néng)夠實現(xiàn)零位校(xiào)準和溫(wen)度補償(cháng)，具有低(dī)功耗特(tè)性。
　　由于(yú)該壓力(li)傳感器(qì)爲壓阻(zǔ)式,因此(ci)需恒流(liú)源供電(dian)。爲了降(jiang)低系統(tong)的功耗(hào),使用了(le)間歇供(gong)電的方(fāng)案,即在(zai)要進行(hang)A/D采用時(shi)才給壓(ya)力傳感(gǎn)器和恒(héng)流源供(gong)電。壓力(li)傳感器(qì)的✊輸出(chū)信号通(tōng)過減法(fa)電路得(de)到壓力(lì)差,經放(fang)大後供(gong)A/D采樣。
5.2軟(ruǎn)件的實(shi)現
　　智能(néng)化系統(tong)的軟件(jiàn)設計結(jié)合PIC單片(piàn)機的特(tè)點采用(yòng)了PIC的彙(huì)編語言(yán),采用彙(hui)編語言(yan)便于提(tí)高系統(tǒng)效率,縮(suo)短程序(xu)執行時(shi)間,降低(dī)系統功(gong)耗。
　　爲了(le)便于軟(ruan)件設計(ji),主程序(xù)分爲工(gong)作狀态(tài)和置數(shù)狀态👄，并(bìng)爲其編(biān)制不同(tóng)的子程(cheng)序。在主(zhǔ)程序中(zhōng),通過标(biao)志🌂位确(que)定主程(chéng)序所要(yao)💃🏻運行的(de)子程序(xu),不同的(de)标志通(tōng)過不同(tong)的中斷(duàn)來設置(zhì),例如:1 s定(ding)時中斷(duàn)将設置(zhì)計算标(biao)志,外部(bù)中斷将(jiāng)設置置(zhi)數标志(zhi)。這🧑🏾‍🤝‍🧑🏼樣既(jì)保證♉了(le)系統的(de)實時性(xìng)又體現(xiàn)了軟件(jian)的結🔆構(gou)化特點(diǎn)。工✍️作狀(zhuàng)态用于(yu)⚽對瞬時(shí)和累計(jì)流📐量的(de)計算和(hé)顯🤞示。圖(tu)6給出了(le)計算子(zi)程序的(de)流程圖(tú)。置數狀(zhuang)态用于(yu)所選參(can)數如平(píng)均儀表(biǎo)系數`K的(de)置入。另(ling)外由于(yú)♻️渦街流(liu)量♌計在(zài)小流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liang)時易受(shòu)到噪聲(shēng)的幹擾(rǎo),因此還(hai)增🌏加了(le)流量下(xia)限切除(chu)的功能(neng),流量的(de)下限也(ye)可以通(tong)過鍵盤(pán)置入。

 
　　主(zhǔ)程序流(liu)程圖如(rú)圖7所示(shì)。
 
6結論
　　表(biao)2給出了(le)标定狀(zhuàng)态下,3台(tai)渦街流(liu)量傳感(gan)器修正(zhèng)前後🤞非(fei)線性誤(wu)差的比(bi)較結果(guǒ)。
 
　　本文分(fen)析了氣(qi)體渦街(jie)流量計(jì)測量誤(wu)差産生(shēng)的原😄因(yin)⁉️,并給出(chu)了💛一種(zhǒng)基于雷(léi)諾數修(xiū)正的方(fāng)法,用高(gao)次函數(shu)拟合儀(yí)表系數(shù)K的特性(xing)曲線。通(tong)過對儀(yí)表系數(shu)K的非線(xian)性修正(zhèng),提高了(le)渦街流(liu)量計的(de)🆚計量精(jing)度。結合(he)實際應(yīng)用,通過(guò)對壓力(li)、溫度的(de)補償得(de)📐到了與(yǔ)工況相(xiàng)對應标(biao)況下的(de)流量,方(fang)便了用(yong)戶💋的使(shi)用。

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