摘(zhai)要:文(wen)中以(yi)氣體(ti)渦街(jie)流量(liang)計 爲(wei)例,從(cong)流體(ti)力學(xue)的角(jiao)度分(fen)析了(le)渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量📧誤(wu)差産(chan)📱生的(de)原因(yin),結合(he)氣體(ti)測量(liang)的特(te)點,使(shi)用了(le)一種(zhong)工❌程(cheng)化的(de)解決(jue)方法(fa)。并根(gen)據應(ying)用實(shi)際,給(gei)出了(le)正确(que)的将(jiang)㊙️工況(kuang)流量(liang)轉化(hua)爲标(biao)況流(liu)量的(de)軟、硬(ying)件方(fang)案。
1引(yin)言
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji) 又稱(cheng)卡門(men)渦街(jie)流量(liang)計,是(shi)利用(yong)流體(ti)流過(guo)障礙(ai)物時(shi)産生(sheng)穩定(ding)的旋(xuan)渦,通(tong)過測(ce)量旋(xuan)渦産(chan)生的(de)頻率(lü)而實(shi)現對(dui)流體(ti)流量(liang)的計(ji)量。
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)是70年(nian)代發(fa)展起(qi)來的(de)一種(zhong)新型(xing)流量(liang)測量(liang)儀表(biao)。其優(you)點主(zhu)要有(you):儀表(biao)内部(bu)沒有(you)可動(dong)部件(jian),結構(gou)簡🐇單(dan),使用(yong)壽📞命(ming)長;測(ce)量範(fan)圍寬(kuan),--般情(qing)況量(liang)程比(bi)爲1:10~1:15;儀(yi)表輸(shu)♍出爲(wei)頻率(lü)信号(hao)，易于(yu)實🔱現(xian)數字(zi)化測(ce)量;适(shi)用于(yu)多種(zhong)介質(zhi)測量(liang)4]。目🍉前(qian)國内(nei)液體(ti)渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量👉精(jing)度爲(wei)土1% ,氣(qi)體渦(wo)銜流(liu)量計(ji)爲+1.5%。這(zhe)樣的(de)精度(du)用于(yu)貿易(yi)結算(suan)計量(liang)是不(bu)能令(ling)人滿(man)意的(de)。本文(wen)以氣(qi)體渦(wo)銜流(liu)量計(ji)爲研(yan)究對(dui)象，從(cong)流體(ti)力學(xue)的角(jiao)度分(fen)析渦(wo)街流(liu)量計(ji)測量(liang)誤差(cha)産生(sheng)的原(yuan)因,并(bing)給出(chu)了一(yi)種工(gong)程化(hua)的解(jie)決方(fang)法。
2渦(wo)街流(liu)量計(ji)的原(yuan)理及(ji)測量(liang)誤差(cha)産生(sheng)的原(yuan)因
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)是基(ji)于流(liu)體力(li)學中(zhong)著名(ming)的“卡(ka)門渦(wo)街🈲”研(yan)制的(de)💘。在流(liu)動的(de)流體(ti)中放(fang)置- -非(fei)流線(xian)型柱(zhu)形體(ti),稱旋(xuan)渦發(fa)生體(ti),當流(liu)體沿(yan)旋🏃🏻‍♂️渦(wo)發生(sheng)體繞(rao)流時(shi),會在(zai)渦街(jie)發生(sheng)👌體下(xia)遊産(chan)生兩(liang)列不(bu)對❄️稱(cheng)但有(you)規律(lü)的交(jiao)替旋(xuan)渦列(lie),這就(jiu)是所(suo)謂的(de)卡門(men)渦街(jie),如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　大量(liang)的實(shi)驗和(he)理論(lun)證明(ming):穩定(ding)的渦(wo)街發(fa)生頻(pin)率ƒ與(yu)來流(liu)速度(du)v1及旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的特(te)征寬(kuan)度d有(you)如下(xia)确定(ding)關系(xi)叫:
 
　　式(shi)中St爲(wei)斯特(te)羅哈(ha)數,與(yu)雷諾(nuo)數和(he)d相關(guan)。
　　當雷(lei)諾數(shu)Re在一(yi)定範(fan)圍内(nei)(3 X102~2 X105)時(4],St爲(wei)一常(chang)數,對(dui)于三(san)角柱(zhu)形旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)約爲(wei)0.16
　　雷諾(nuo)數的(de)定義(yi)爲
 
　　式(shi)中S爲(wei)管道(dao)的橫(heng)截面(mian)積。
　　由(you)氣體(ti)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)原理(li)可知(zhi),通過(guo)測量(liang)旋渦(wo)發生(sheng)頻⚽率(lü)僅能(neng)得到(dao)旋渦(wo)發生(sheng)體附(fu)近的(de)流速(su)vI,由式(shi)(3)可知(zhi)在橫(heng)截面(mian)積一(yi)定的(de)情況(kuang)下,流(liu)體的(de)流量(liang)Q與⭕流(liu)體的(de)平均(jun)流速(su)v成正(zheng)比,因(yin)此☔要(yao)正确(que)計量(liang)流體(ti)的流(liu)量必(bi)須🎯找(zhao)到`v與(yu)v1的對(dui)應關(guan)系。
　　根(gen)據流(liu)體力(li)學理(li)論,在(zai)充分(fen)發展(zhan)的湍(tuan)流狀(zhuang)态下(xia)，流體(ti)的速(su)度分(fen)布有(you)如下(xia)關系(xi)式川(chuan):
 
　　式中(zhong):vp爲到(dao)管壁(bi)距離(li)爲y的(de)P點的(de)速度(du);y爲點(dian)到管(guan)壁處(chu)的距(ju)離;Vmax:爲(wei)管☀️道(dao)中的(de)最大(da)流速(su),通常(chang)取管(guan)道中(zhong)心的(de)🙇🏻速度(du);R爲管(guan)道的(de)半徑(jing);n爲雷(lei)諾數(shu)的函(han)數。
表(biao)1中給(gei)出了(le)部分(fen)雷諾(nuo)數與(yu)n的對(dui)應關(guan)系。
 
　　由(you)于旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的位(wei)置固(gu)定,因(yin)此當(dang)雷諾(nuo)數一(yi)定時(shi)v1與`v有(you)固定(ding)🐅的比(bi)例關(guan)系換(huan)言之(zhi),當雷(lei)諾數(shu)Re變化(hua)時,二(er)者的(de)比值(zhi)也發(fa)生變(bian)化，
 
　　圖(tu)3給出(chu)了不(bu)同雷(lei)諾數(shu)下充(chong)分發(fa)展的(de)湍流(liu)的流(liu)速分(fen)布,如(ru)圖所(suo)示Re越(yue)大,流(liu)速分(fen)布越(yue)平滑(hua),即旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)附近(jin)的流(liu)速越(yue)接近(jin)平均(jun)流速(su),故ƒ( Re)應(ying)爲單(dan)調遞(di)減函(han)數。圖(tu)4給出(chu)了3台(tai)50mm口徑(jing)🛀🏻，寬度(du)14 mm三角(jiao)形旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的氣(qi)體渦(wo)銜流(liu)量計(ji),在20℃,一(yi)個标(biao)準大(da)氣壓(ya)下,不(bu)同雷(lei)諾數(shu)下的(de)K值曲(qu)線。如(ru)圖所(suo)示實(shi)驗數(shu)據與(yu)♉理論(lun)分析(xi)基本(ben)一緻(zhi),因此(ci)渦銜(xian)流量(liang)計的(de)測量(liang)原理(li)即決(jue)定了(le)儀表(biao)系數(shu)的非(fei)線性(xing)特性(xing)。若要(yao)提高(gao)渦🔞街(jie)流量(liang)計的(de)計量(liang)精度(du),必須(xu)針對(dui)不🥰同(tong)的流(liu)速分(fen)布對(dui)K值👄進(jin)行修(xiu)正。
 
3标(biao)定狀(zhuang)态下(xia)K值的(de)修正(zheng)
　　在20 ℃,一(yi)個标(biao)準大(da)氣壓(ya)的标(biao)定狀(zhuang)态下(xia),空氣(qi)的密(mi)度和(he)粘度(du)爲🔆常(chang)🏃🏻數,因(yin)此雷(lei)諾數(shu)僅與(yu)流體(ti)的平(ping)均流(liu)速相(xiang)關,ƒ在(zai)平均(jun)流速(su)`v有對(dui)應關(guan)系,因(yin)此有(you)如下(xia)函數(shu)關系(xi):
 
　　對圖(tu)4中的(de)K值曲(qu)線研(yan)究發(fa)現,3條(tiao)曲線(xian)形狀(zhuang)基本(ben)一緻(zhi),隻是(shi)平移(yi)🔴的♉程(cheng)度不(bu)同。故(gu)可以(yi)爲同(tong)一口(kou)徑的(de)渦街(jie)流量(liang)計确(que)定一(yi)條特(te)征曲(qu)⛷️線函(han)數G(f),同(tong)時測(ce)定每(mei)台儀(yi)表的(de)平均(jun)儀表(biao)🔴系數(shu)`K,将二(er)者相(xiang)💋乘即(ji)可得(de)到該(gai)台渦(wo)街流(liu)量計(ji)🏒在不(bu)同頻(pin)👄率下(xia)的真(zhen)實儀(yi)表系(xi)❤️數,即(ji):K=`K.G(ƒ)
　　在實(shi)際應(ying)用中(zhong)将G(ƒ) 作(zuo)爲特(te)定的(de)子程(cheng)序,生(sheng)産廠(chang)家根(gen)據💜标(biao)定結(jie)果置(zhi)入R即(ji)可。
4工(gong)作狀(zhuang)況下(xia)的修(xiu)正
　　氣(qi)體渦(wo)銜流(liu)量計(ji)使用(yong)的工(gong)作狀(zhuang)況(簡(jian)稱工(gong)況)通(tong)常與(yu)标定(ding)💯狀🐪态(tai)不同(tong),由于(yu)氣體(ti)的體(ti)積流(liu)量受(shou)溫度(du)、壓力(li)的影(ying)響比(bi)較大(da),在❓實(shi)際應(ying)用中(zhong)通常(chang)将氣(qi)體在(zai)工況(kuang)下的(de)體積(ji)折算(suan)爲标(biao)準狀(zhuang)态下(xia)(0℃,一個(ge)标準(zhun)大氣(qi)壓,簡(jian)稱标(biao)況💋)的(de)體積(ji)進行(hang)結算(suan)和計(ji)量,即(ji)對氣(qi)體進(jin)行溫(wen)度、壓(ya)力的(de)補償(chang)。
　　根據(ju)流體(ti)力學(xue)中的(de)雷諾(nuo)數相(xiang)似原(yuan)則,即(ji)當流(liu)體的(de)㊙️雷諾(nuo)👉數✂️相(xiang)♻️等時(shi)流體(ti)的流(liu)速分(fen)布相(xiang)似”。故(gu)将工(gong)況下(xia)的流(liu)動形(xing)态化(hua)爲标(biao)定狀(zhuang)💜态下(xia)的流(liu)動形(xing)态,再(zai)通過(guo)标定(ding)狀态(tai)下對(dui)速度(du)分🤟布(bu)的修(xiu)💋正得(de)到與(yu)工況(kuang)相對(dui)應的(de)标定(ding)流量(liang),最後(hou)将正(zheng)确修(xiu)正後(hou)的标(biao)定流(liu)量通(tong)🍓過理(li)想氣(qi)體狀(zhuang)态方(fang)程折(she)算爲(wei)标況(kuang)下🙇‍♀️的(de)流量(liang)。采取(qu)♻️以上(shang)方法(fa)是由(you)于前(qian)面提(ti)到的(de)👨‍❤️‍👨函數(shu)G(ƒ) 必須(xu)在标(biao)定狀(zhuang)🤞态下(xia)得到(dao)🔴,而0℃,-個(ge)标準(zhun)大氣(qi)壓的(de)标定(ding)狀态(tai)比較(jiao)難得(de)🐕到,因(yin)此采(cai)用了(le)兩步(bu)折算(suan)的方(fang)法。
 
　　故(gu)與工(gong)況對(dui)應的(de)标定(ding)狀态(tai)下的(de)旋渦(wo)發生(sheng)體附(fu)近👅的(de)
 
　　由于(yu)此方(fang)法是(shi)基于(yu)雷諾(nuo)數相(xiang)似原(yuan)理進(jin)行修(xiu)正的(de)，因此(ci)普遍(bian)适用(yong)于各(ge)種氣(qi)體在(zai)非标(biao)定狀(zhuang)态下(xia)的修(xiu)👈正。
5修(xiu)正方(fang)法的(de)實現(xian)
5.1硬件(jian)電路(lu)的實(shi)現 .
　　由(you)上面(mian)的分(fen)析可(ke)知要(yao)完成(cheng)對非(fei)标定(ding)狀态(tai)下氣(qi)體流(liu)量的(de)雷諾(nuo)數修(xiu)正,需(xu)要采(cai)集氣(qi)體的(de)溫度(du)、壓力(li)信号(hao),同時(shi)爲了(le)完成(cheng)複雜(za)的🌈修(xiu)正算(suan)法,信(xin)号處(chu)理部(bu)分采(cai)用了(le)以單(dan)片機(ji)爲核(he)心的(de)智能(neng)化系(xi)統設(she)計。單(dan)片機(ji)爲Mi-crochip公(gong)司的(de)PIC16F877。 16F877具有(you)8 K的FLASH程(cheng)序存(cun)儲⛹🏻‍♀️器(qi),368字節(jie)的RAM及(ji)256字節(jie)的❄️E2PROM，這(zhe)爲複(fu)雜算(suan)法的(de)實現(xian)和大(da)量數(shu)據的(de)存儲(chu)提供(gong)了良(liang)好基(ji)礎。16F877 具(ju)有片(pian)内的(de)AD轉化(hua)器,可(ke)以簡(jian)化電(dian)路設(she)計,能(neng)夠方(fang)便的(de)與溫(wen)度、壓(ya)力檢(jian)測放(fang)大電(dian)，路連(lian)接,利(li)于電(dian)路的(de)緊湊(cou)化設(she)計,降(jiang)低成(cheng)本。片(pian)上的(de)🔆WATCHDOG可以(yi)保證(zheng)程序(xu)的可(ke)靠🏃🏻運(yun)行。此(ci)外PICI6F877的(de)端口(kou)B具有(you)電平(ping)變化(hua)中斷(duan)的✔️功(gong)能,此(ci)功能(neng)可以(yi)方便(bian)的實(shi)現簡(jian)單的(de)鍵✊盤(pan)接口(kou)電路(lu)。圖5爲(wei)系統(tong)硬件(jian)原理(li)框圖(tu)。
 
　　爲了(le)滿足(zu)儀表(biao)現場(chang)顯示(shi)(即電(dian)池供(gong)電)的(de)需要(yao),儀表(biao)在傳(chuan)感器(qi)🍓選擇(ze)和電(dian)路設(she)計上(shang)都體(ti)現了(le)低功(gong)耗的(de)特 點(dian)💘。
5.1.1溫度(du)檢測(ce)電路(lu)
　　溫度(du)傳感(gan)器選(xuan)用了(le)溫度(du)傳感(gan)器,該(gai)溫度(du)傳感(gan)器是(shi)基于(yu)🈚半導(dao)🔆體測(ce)溫原(yuan)理制(zhi)成的(de)。該傳(chuan)感器(qi)量程(cheng)範圍(wei)較寬(kuan)(-40~125℃ ;輸出(chu)💁電壓(ya)信号(hao),經放(fang)大後(hou)可以(yi)方便(bian)的同(tong)單片(pian)機的(de)A/D接口(kou)連接(jie);在量(liang)程範(fan)圍内(nei)🌈有較(jiao)好的(de)線性(xing)度,10 mV/ C;精(jing)🏒度較(jiao)高,在(zai)量程(cheng)範圍(wei)💋内可(ke)達±0.5 ℃;體(ti)積較(jiao)小,封(feng)裝方(fang)式爲(wei)♉僅有(you)3個管(guan)腳的(de)T0-92,可以(yi)方便(bian)👅的與(yu)渦街(jie)流量(liang)計的(de)表體(ti)相連(lian)。
5.1.2壓力(li)檢測(ce)電路(lu)
　　壓力(li)傳感(gan)器采(cai)用壓(ya)阻式(shi)壓力(li)傳感(gan)器封(feng)裝在(zai)不鏽(xiu)鋼外(wai)殼内(nei),不鏽(xiu)鋼膜(mo)片将(jiang)壓力(li)通過(guo)矽油(you)傳遞(di)到壓(ya)力敏(min)👉感芯(xin)片。上(shang)㊙️從而(er)得.到(dao)成比(bi)例的(de)線性(xing)輸出(chu)。
　　該壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)适用(yong)于中(zhong)低壓(ya)力測(ce)量，具(ju)有較(jiao)高的(de)精度(du)和線(xian)💔性度(du),能夠(gou)實現(xian)零位(wei)校準(zhun)和溫(wen)度補(bu)償，具(ju)有低(di)功耗(hao)♻️特性(xing)✏️。
　　由于(yu)該壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)爲壓(ya)阻式(shi),因此(ci)需恒(heng)流源(yuan)供電(dian)。爲了(le)降低(di)系統(tong)的功(gong)耗,使(shi)用了(le)間歇(xie)供電(dian)的方(fang)案,即(ji)在要(yao)進行(hang)A/D采用(yong)時才(cai)給壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)和恒(heng)流源(yuan)供電(dian)。壓力(li)傳感(gan)器的(de)輸出(chu)信号(hao)通過(guo)減法(fa)電路(lu)得到(dao)壓力(li)差,經(jing)放大(da)後供(gong)A/D采樣(yang)💋。
5.2軟件(jian)的實(shi)現
　　智(zhi)能化(hua)系統(tong)的軟(ruan)件設(she)計結(jie)合PIC單(dan)片機(ji)的特(te)點采(cai)用了(le)PIC的🔞彙(hui)📧編語(yu)✔️言,采(cai)用彙(hui)編語(yu)言便(bian)于提(ti)高系(xi)統效(xiao)率,縮(suo)短程(cheng)序執(zhi)行時(shi)間,降(jiang)低系(xi)統功(gong)耗。
　　爲(wei)了便(bian)于軟(ruan)件設(she)計,主(zhu)程序(xu)分爲(wei)工作(zuo)狀态(tai)和置(zhi)數狀(zhuang)💋态，并(bing)爲其(qi)編制(zhi)不同(tong)的子(zi)程序(xu)。在主(zhu)程序(xu)中,通(tong)過标(biao)志位(wei)确定(ding)主程(cheng)序所(suo)要運(yun)行的(de)子程(cheng)序,不(bu)同的(de)标志(zhi)通過(guo)不同(tong)的中(zhong)斷來(lai)設置(zhi),例如(ru):1 s定時(shi)中斷(duan)将設(she)置計(ji)算标(biao)志,外(wai)部中(zhong)斷将(jiang)設置(zhi)置數(shu)标志(zhi)。這樣(yang)既保(bao)證♈了(le)系統(tong)的實(shi)時性(xing)又體(ti)現👈了(le)軟件(jian)的結(jie)構化(hua)特點(dian)。工作(zuo)狀态(tai)用于(yu)對瞬(shun)時和(he)累計(ji)流量(liang)的計(ji)算和(he)顯示(shi)。圖6給(gei)出了(le)計算(suan)子程(cheng)序的(de)流程(cheng)圖。置(zhi)數狀(zhuang)态用(yong)于所(suo)選參(can)數如(ru)平均(jun)儀表(biao)系數(shu)`K的置(zhi)入。另(ling)外由(you)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)在小(xiao)流量(liang)時易(yi)受到(dao)噪聲(sheng)的幹(gan)擾,因(yin)此還(hai)增加(jia)了流(liu)量下(xia)限切(qie)除的(de)功能(neng),流量(liang)的下(xia)限也(ye)可以(yi)通過(guo)鍵盤(pan)置入(ru)。

 
　　主程(cheng)序流(liu)程圖(tu)如圖(tu)7所示(shi)。
 
6結論(lun)
　　表2給(gei)出了(le)标定(ding)狀态(tai)下,3台(tai)渦街(jie)流量(liang)傳感(gan)器修(xiu)正前(qian)後非(fei)線性(xing)誤差(cha)的比(bi)較結(jie)果。
 
　　本(ben)文分(fen)析了(le)氣體(ti)渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量誤(wu)差産(chan)生的(de)原🔞因(yin),并給(gei)出了(le)🌂一種(zhong)基于(yu)雷諾(nuo)數修(xiu)正的(de)方法(fa),用高(gao)次函(han)數拟(ni)合儀(yi)表系(xi)數💃🏻K的(de)特💯性(xing)曲線(xian)。通過(guo)對儀(yi)表系(xi)數K的(de)非線(xian)性修(xiu)正🈚,提(ti)高了(le)渦街(jie)流量(liang)計的(de)計量(liang)精度(du)。結✌️合(he)實際(ji)應㊙️用(yong),通過(guo)對壓(ya)力、溫(wen)度的(de)補償(chang)得🙇‍♀️到(dao)了與(yu)工㊙️況(kuang)相對(dui)應标(biao)況下(xia)的流(liu)量,方(fang)便了(le)用戶(hu)👣的使(shi)用。

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