摘要(yào):文中以(yi)氣體渦(wo)街流量(liang)計 爲例(li),從流體(ti)力學的(de)角度分(fen)析了渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)誤差産(chǎn)生的🥰原(yuan)因,結合(hé)氣體測(ce)量的特(tè)點,使用(yòng)了一種(zhong)工程化(hua)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的解決(jue)方🌐法。并(bìng)根據應(ying)用實際(jì),給出了(le)正确的(de)将工況(kuang)流量轉(zhuǎn)化㊙️爲标(biao)況流量(liàng)的軟、硬(yìng)件方案(àn)📧。
1引言
　　渦(wō)街流量(liàng)計 又稱(chēng)卡門渦(wō)街流量(liang)計,是利(li)用流體(tǐ)流過障(zhàng)礙物時(shi)産生穩(wen)定的旋(xuan)渦,通過(guò)測量旋(xuan)渦産生(shēng)的頻率(lǜ)而實現(xiàn)對流體(ti)流量的(de)計量。
　　渦(wo)街流量(liang)計是70年(nian)代發展(zhǎn)起來的(de)一種新(xin)型流量(liang)測💔量儀(yí)表。其🥵優(yōu)點主要(yao)有:儀表(biao)内部沒(méi)有可動(dòng)部件,結(jie)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(lü)信号，易(yi)于實現(xian)數字化(hua)測量;适(shi)用于多(duo)種介質(zhi)測量4]。目(mù)前國内(nèi)液體渦(wō)街流量(liang)計測量(liàng)精度爲(wèi)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(rén)滿意🔴的(de)。本文以(yǐ)氣體渦(wō)銜流量(liang)計爲研(yan)究對👈象(xiang)，從流體(ti)力學的(de)💰角度分(fèn)析渦街(jiē)流🧡量計(jì)測量誤(wu)差産生(sheng)的原因(yin),并給出(chu)🔱了一種(zhong)工程化(hua)的解決(jue)🔱方法。
2渦(wo)街流量(liàng)計的原(yuan)理及測(cè)量誤差(chà)産生的(de)原因
　　渦(wō)街流量(liang)計是基(jī)于流體(ti)力學中(zhong)著名的(de)“卡門渦(wo)街”研制(zhì)的💚。在流(liu)動的流(liú)體中放(fang)置- -非流(liu)線型柱(zhù)形體,稱(chēng)旋渦發(fa)生👄體,當(dāng)流體沿(yán)旋🏃🏻渦發(fa)生體繞(rào)流時,會(huì)在渦街(jie)發生🌈體(tǐ)下遊産(chan)生兩列(lie)不對🆚稱(cheng)但有規(gui)律的交(jiāo)替旋渦(wō)列,這就(jiù)是所謂(wèi)的卡門(men)渦街,如(ru)圖1所示(shì)。
 
　　大量的(de)實驗和(he)理論證(zhèng)明:穩定(ding)的渦街(jie)發生頻(pin)率ƒ與來(lai)流㊙️速度(dù)🈲v1及旋渦(wō)發生體(ti)的特征(zhēng)寬度d有(yǒu)如下确(que)定關系(xì)叫:
 
　　式中(zhōng)St爲斯特(tè)羅哈數(shu),與雷諾(nuò)數和d相(xiàng)關。
　　當雷(lei)諾數Re在(zai)一定範(fan)圍内(3 X102~2 X105)時(shí)(4],St爲一常(chang)數,對于(yú)三角柱(zhu)形旋渦(wo)發生體(tǐ)約爲0.16
　　雷(lei)諾數的(de)定義爲(wèi)
 
　　式中S爲(wei)管道的(de)橫截面(mian)積。
　　由氣(qì)體渦街(jiē)流量計(jì)的測量(liang)原理可(kě)知,通過(guò)測量旋(xuán)渦發生(shēng)頻🐅率僅(jin)能得到(dào)旋渦發(fa)生體附(fu)近的流(liu)速vI,由式(shì)(3)可知在(zài)橫截面(miàn)積一定(ding)的情況(kuàng)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(zhèng)确計量(liang)流體的(de)流量必(bì)須🏃🏻‍♂️找到(dao)`v與v1的對(duì)應關系(xì)。
　　根據流(liu)體力學(xué)理論,在(zai)充分發(fa)展的湍(tuan)流狀态(tài)下，流體(ti)的速度(du)分布有(yǒu)如下關(guan)系式川(chuan):
 
　　式中:vp爲(wèi)到管壁(bi)距離爲(wei)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(dà)流速,通(tong)常取管(guǎn)道中心(xīn)的速度(du)☀️;R爲管道(dao)的半徑(jìng);n爲雷諾(nuò)數的函(hán)數。
表1中(zhong)給出了(le)部分雷(lei)諾數與(yǔ)n的對應(ying)關系。
 
　　由(you)于旋渦(wo)發生體(tǐ)的位置(zhì)固定,因(yīn)此當雷(lei)諾數一(yi)定☎️時👈v1與(yu)`v有固定(dìng)的比例(li)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(gěi)出了不(bú)同雷諾(nuò)數下充(chōng)分發展(zhǎn)的湍流(liú)的流速(su)分布,如(rú)圖♉所示(shì)Re越大,流(liu)速分布(bù)越平滑(hua),即旋渦(wō)發生♋體(ti)附近的(de)流速👉越(yuè)接近平(píng)🐉均流速(su),故ƒ( Re)應爲(wei)單調遞(di)減函數(shù)。圖4給出(chū)了💛3台50mm口(kǒu)徑，寬度(du)14 mm三角形(xíng)旋渦發(fā)生體的(de)氣體渦(wō)銜流量(liang)計,在20℃,一(yi)個标準(zhǔn)😘大氣壓(yā)下,不同(tong)雷諾⛹🏻‍♀️數(shu)下的K值(zhi)曲線。如(ru)圖所示(shi)實驗數(shù)據與理(li)論分析(xi)基本一(yi)緻,因此(ci)渦銜流(liu)量計的(de)測💛量原(yuán)理即決(jué)定了儀(yi)表系數(shu)的♈非線(xian)性特性(xìng)。若要提(ti)高渦街(jiē)流量計(jì)的計🐪量(liàng)精度,必(bi)須針對(dui)不同的(de)流速分(fen)布對K值(zhi)🐪進行修(xiu)正。
 
3标定(dìng)狀态下(xià)K值的修(xiu)正
　　在20 ℃,一(yī)個标準(zhun)大氣壓(yā)的标定(dìng)狀态下(xia),空氣的(de)密度和(he)粘度爲(wei)常數,因(yin)此雷諾(nuò)數僅與(yu)流體的(de)平均流(liu)速相關(guān),ƒ在🐉平均(jun)流速`v有(you)對🐉應關(guan)系,因此(cǐ)有如下(xia)函數關(guan)系:
 
　　對圖(tú)4中的K值(zhí)曲線研(yan)究發現(xiàn),3條曲線(xian)形狀基(ji)本一緻(zhi),隻是平(píng)🌐移的程(cheng)度不同(tong)。故可以(yi)爲同一(yī)口徑的(de)渦街流(liú)量✊計确(què)定一條(tiáo)特征曲(qǔ)🌐線函數(shu)G(f),同時測(ce)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(dao)該台渦(wo)街流量(liàng)計☁️在不(bu)同頻率(lǜ)下的真(zhēn)實儀表(biao)系數,即(jí):K=`K.G(ƒ)
　　在實際(jì)應用中(zhong)将G(ƒ) 作爲(wèi)特定的(de)子程序(xu),生産廠(chǎng)家根據(jù)👉标定🐉結(jié)果🌈置入(rù)R即可。
4工(gong)作狀況(kuàng)下的修(xiū)正
　　氣體(ti)渦銜流(liu)量計使(shǐ)用的工(gong)作狀況(kuàng)(簡稱工(gong)況)通常(chang)與♋标定(dìng)狀态不(bú)同,由于(yu)氣體的(de)體積流(liu)量受溫(wēn)度、壓力(lì)的影響(xiǎng)比較大(dà),在實際(jì)應用中(zhōng)通常将(jiang)氣體在(zai)工況下(xià)的體積(jī)折🙇‍♀️算爲(wèi)标⁉️準狀(zhuang)态下(0℃,一(yi)個标準(zhun)大氣壓(yā),簡稱标(biāo)況)的體(ti)積進🏃行(háng)結算和(hé)計量,即(ji)對⛱️氣體(ti)進行溫(wēn)度、壓力(li)的補償(chang)。
　　根據流(liú)體力學(xué)中的雷(léi)諾數相(xiàng)似原則(ze),即當流(liú)體的📐雷(léi)諾數相(xiàng)等時流(liu)體的流(liu)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(tài)下的流(liú)動形态(tài),再通過(guò)标定狀(zhuang)态下對(dui)速度分(fèn)布的修(xiu)正得到(dao)與工況(kuang)相對🏃應(yīng)的标定(dìng)流量,最(zui)後将正(zhèng)确修⛹🏻‍♀️正(zheng)後的标(biao)定流量(liàng)通㊙️過理(lǐ)想氣體(tǐ)狀态方(fāng)程折算(suan)爲标況(kuàng)下的流(liú)量。采取(qu)以上方(fang)法是由(yóu)于前面(miàn)提到的(de)函數G(ƒ) 必(bi)須在标(biāo)定狀🏃🏻态(tài)下得到(dao),而0℃,-個标(biao)準大氣(qi)壓的标(biao)定🤩狀态(tai)比較難(nan)得到♊,因(yīn)此采用(yòng)了兩步(bù)折算的(de)方法。
 
　　故(gù)與工況(kuàng)對應的(de)标定狀(zhuang)态下的(de)旋渦發(fa)生體附(fù)近🌈的㊙️
 
　　由(you)于此方(fāng)法是基(ji)于雷諾(nuò)數相似(sì)原理進(jin)行修正(zhèng)的，因此(ci)普遍适(shì)用于各(ge)種氣體(tǐ)在非标(biāo)定狀态(tai)下的修(xiū)📐正。
5修正(zheng)方法的(de)實現
5.1硬(ying)件電路(lù)的實現(xiàn) .
　　由上面(mian)的分析(xī)可知要(yào)完成對(duì)非标定(ding)狀态下(xia)氣體流(liú)量的雷(lei)諾數修(xiū)正,需要(yao)采集氣(qì)體的溫(wen)度、壓力(li)信号,同(tong)時爲了(le)完🔞成複(fú)雜的修(xiū)正算法(fa),信号處(chù)理部分(fèn)采用了(le)以單片(piàn)機爲核(hé)心的智(zhì)能化系(xì)統設計(jì)。單片機(ji)爲Mi-crochip公司(sī)♍的PIC16F877。 16F877具有(yǒu)8 K的FLASH程序(xu)存儲器(qì),368字節的(de)🐕RAM及256字節(jiē)的👄E2PROM，這爲(wèi)複雜算(suàn)法的實(shi)現和💃🏻大(dà)量數據(ju)的存儲(chǔ)提供了(le)良好基(jī)礎。16F877 具有(you)‼️片内的(de)AD轉化器(qì),可以簡(jiǎn)化電路(lù)設計🏃,能(neng)夠方便(biàn)的與溫(wēn)度、壓力(li)檢測放(fang)大電，路(lu)連接,利(li)于電路(lu)的緊湊(còu)化設計(jì),降低成(chéng)本。片上(shàng)的WATCHDOG可✌️以(yi)保證程(cheng)序的可(ke)靠運行(háng)。此外PICI6F877的(de)🏃端口B具(jù)🏃🏻有電平(píng)變化中(zhōng)斷的功(gōng)能,此功(gong)能可以(yǐ)㊙️方便的(de)實現簡(jian)單的鍵(jian)盤接口(kǒu)電路。圖(tu)5爲系統(tǒng)🌈硬件原(yuán)理框👅圖(tu)。
 
　　爲了滿(man)足儀表(biǎo)現場顯(xiǎn)示(即電(diàn)池供電(diàn))的需要(yao),儀表在(zai)傳感器(qì)選⚽擇和(hé)電路設(shè)計上都(dōu)體現了(le)低功耗(hào)的🏒特 點(diǎn)。
5.1.1溫度檢(jian)測電路(lù)
　　溫度傳(chuan)感器選(xuǎn)用了溫(wēn)度傳感(gan)器,該溫(wen)度傳感(gǎn)器是基(jī)于半導(dao)體測溫(wen)原理制(zhì)成的。該(gai)傳感器(qi)量程範(fàn)圍較寬(kuan)✂️(-40~125℃ ;輸出電(dian)壓㊙️信号(hào),經放大(da)後可以(yi)方便的(de)同單片(pian)機的A/D接(jiē)口連接(jie);在量程(chéng)範圍内(nei)有較好(hǎo)的線性(xìng)度,10 mV/ C;精度(dù)較高,在(zai)量程範(fàn)圍内可(kě)達±0.5 ℃;體積(jī)較小,封(fēng)裝方式(shi)爲🌈僅有(yǒu)3個管腳(jiao)的T0-92,可以(yi)方便的(de)與渦街(jie)流量計(jì)的表體(tǐ)相連。
5.1.2壓(yā)力檢測(cè)電路
　　壓(yā)力傳感(gǎn)器采用(yong)壓阻式(shi)壓力傳(chuán)感器封(feng)裝在不(bú)鏽鋼外(wài)殼内,不(bú)鏽鋼膜(mó)片将壓(yā)力通過(guo)矽油傳(chuán)遞到壓(ya)力敏感(gan)芯片。上(shàng)從而得(de).到🏒成比(bǐ)例的線(xian)性輸出(chū)。
　　該壓力(li)傳感器(qì)适用于(yú)中低壓(ya)力測量(liàng)，具有較(jiao)高的精(jīng)度和線(xian)性度,能(néng)夠實現(xian)零位校(xiao)準和溫(wen)度補償(chang)，具有低(di)功耗特(tè)性🎯。
　　由于(yu)該壓力(li)傳感器(qi)爲壓阻(zǔ)式,因此(cǐ)需恒流(liu)源供電(dian)。爲了降(jiàng)低系統(tong)的功耗(hào),使用了(le)間歇供(gong)電的方(fang)案,即在(zai)要進行(háng)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(lì)傳感器(qi)的輸出(chu)信号通(tong)過減法(fa)電路得(dé)到壓力(li)差,經放(fang)大後供(gòng)A/D采樣。
5.2軟(ruǎn)件的實(shí)現
　　智能(neng)化系統(tǒng)的軟件(jian)設計結(jié)合PIC單片(piàn)機的特(te)點采用(yòng)了PIC的彙(huì)編語言(yan),采用彙(hui)編語言(yán)便于提(ti)高系統(tǒng)效率,縮(suō)短程序(xu)執行時(shi)間🛀🏻,降低(di)系統功(gōng)耗。
　　爲了(le)便于軟(ruǎn)件設計(jì),主程序(xù)分爲工(gōng)作狀态(tài)和置數(shu)狀态，并(bing)🚶‍♀️爲其💃編(biān)制不同(tong)的子程(cheng)序。在主(zhǔ)程序中(zhong),通過标(biāo)志位确(què)🌈定主程(chéng)序所要(yao)運行的(de)子程序(xu),不同的(de)标志通(tong)過不同(tóng)的💯中斷(duan)來設置(zhi),例如:1 s定(ding)時中斷(duan)将設置(zhi)計算标(biao)志,外部(bù)中斷将(jiāng)設置置(zhi)數标志(zhi)。這樣既(ji)保證👄了(le)系統的(de)實時性(xìng)又體現(xian)👌了軟件(jiàn)的結構(gou)化特點(diǎn)。工作狀(zhuang)态用于(yu)💚對瞬時(shi)和累計(ji)流量的(de)計算和(hé)顯示。圖(tú)🔴6給出了(le)計算子(zi)程序的(de)流程圖(tu)。置數狀(zhuàng)态用于(yú)所選參(cān)數如平(píng)均儀表(biǎo)系數`K的(de)置入。另(lìng)外由于(yu)渦街流(liú)量計在(zài)小流量(liàng)時易受(shòu)到🐅噪聲(shēng)的幹擾(rao),因此還(hái)增加了(le)🔞流量下(xià)限切除(chú)的💞功能(neng),流量的(de)下限也(ye)可🌏以通(tōng)過鍵🔞盤(pan)置入。

 
　　主(zhǔ)程序流(liu)程圖如(rú)圖7所示(shì)。
 
6結論
　　表(biǎo)2給出了(le)标定狀(zhuang)态下,3台(tái)渦街流(liu)量傳感(gan)器修正(zhèng)前後🈲非(fei)線性誤(wu)差的比(bǐ)較結果(guo)。
 
　　本文分(fen)析了氣(qi)體渦街(jiē)流量計(jì)測量誤(wu)差産生(sheng)的原因(yin),并給出(chu)了一種(zhǒng)基于雷(lei)諾數修(xiu)正的方(fāng)法,用高(gao)次函數(shù)拟合儀(yí)表㊙️系數(shù)K的特性(xìng)曲線。通(tōng)過對儀(yí)表系數(shu)K的非線(xiàn)性修正(zhèng),提高了(le)渦街流(liú)量計的(de)計量精(jīng)度。結合(he)實際應(yīng)用,通過(guo)對壓力(lì)、溫度的(de)補償得(dé)到了與(yu)工💃🏻況相(xiàng)對應标(biāo)況下的(de)流量🍉,方(fāng)便了用(yong)戶的使(shi)用。

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