摘要:渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)只能在較窄的范圍內(nèi)保持恒定,從而制約了其測(cè)量范圍。利用儀表系數(shù)非線性修正的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后的渦街流量計(jì),量程范圍為6.05~497.79L/h,線性度為1.111%,在保證精度的前提下可以有效的擴(kuò)展量程范圍,適合在煤礦瓦斯抽放管路中使用。
0引言
治理煤礦瓦斯最直接有效的措施是對(duì)井下的瓦斯進(jìn)行抽放。目前,我國(guó)煤礦瓦斯抽放管路流量的測(cè)定方法主要有孔板流量測(cè)定、均速管測(cè)定、皮托管流量測(cè)定等['1。，由于采用的原理是節(jié)流原理,人為減少抽放管道的直徑,影響抽放效果。渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)可動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壓力損失小等諸多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用廣泛。該流量計(jì)在正常范圍內(nèi),其儀表系數(shù)基本為一常數(shù),但在測(cè)量小流量時(shí)表現(xiàn)出明顯的非線性,制約了渦街流量計(jì)測(cè)量范圍和測(cè)量精度[2]。研究發(fā)現(xiàn),渦街流量計(jì)的頻率輸出信號(hào)在較寬的量程范圍內(nèi)都能獲得良好的重復(fù)性。普通模擬渦街流量計(jì)確保儀表系數(shù)線性度在1%以?xún)?nèi)的量程比只能達(dá)到10:1,遠(yuǎn)低于理論量程比100:1。為此,一種新型的渦街流量計(jì),以使其在保證精度和線性度的前提下具有較寬的量程,特別是降低測(cè)量下限。
1渦街流量計(jì)的測(cè)量原理
渦街流量計(jì)測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡曼渦街”原理。在流體中放置一根軸線與流向垂直的非流線型柱形體,稱(chēng)之為旋渦發(fā)生體。當(dāng)流體沿旋渦發(fā)生體繞流時(shí)，會(huì)在旋渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)稱(chēng)但有規(guī)律的交替旋渦列，這就是所謂.的卡曼渦街。大量實(shí)驗(yàn)證明:在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定的旋渦發(fā)生頻率ƒ與流經(jīng)旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速υ1切之間的關(guān)系可表示為:
式中:St一斯特勞哈爾數(shù),對(duì)一定形狀的旋渦發(fā)生體在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)其量綱為1;
b一旋渦發(fā)生體迎流面的寬度,m;.
υ一管道內(nèi)的平均流速,m/s;
A一旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與管道的橫截面積之比;
D一管道內(nèi)徑,m。.
交替地作用在旋渦發(fā)生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率,通過(guò)壓電探頭對(duì)升力變化頻率的檢測(cè)，即可得到f,再由式(1)可得體積流量為:
式中:qv一體積流量,m³/s;
K一渦街流量計(jì)的儀表系數(shù),m-3。
由式(2)可見(jiàn),渦街流量計(jì)測(cè)量流體的體積流量，主要是通過(guò)測(cè)量渦街頻率ƒ來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而渦街頻率ƒ只與流速υ和發(fā)生體的幾何參數(shù)(形狀和幾何尺寸)有關(guān)，而與被測(cè)流體的特性和組分無(wú)關(guān)”。由式(3)可知,儀表系數(shù)K應(yīng)為常數(shù),但實(shí)際情況并非如此,在小流量時(shí),儀表系數(shù)K是非線性的。
2系統(tǒng)硬件與儀表系數(shù)非線性修正方法
2.1系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。整體硬件結(jié)構(gòu)可以分為以下幾個(gè)部分:檢測(cè)復(fù)合信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的“三線共地型”壓電探頭傳感器以及后續(xù)處理電路;為系統(tǒng)各模塊提供電源的電源電路;壓力傳感器的溫度、壓力檢測(cè)電路及后續(xù)調(diào)理電路;上、下位機(jī)通訊的SCI通訊模塊電路;各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示的液晶顯示電路;各種掉電數(shù)據(jù)保存的鐵電存儲(chǔ)FRAM電路;掉電時(shí)間計(jì)算的DS1302時(shí)間電路;現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)翻頁(yè)選擇的按鍵輸人電路以及脈沖輸出電路;采用MSP430單片機(jī)的微處理器。
2.2非線性?xún)x表系數(shù)修正
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,對(duì)寬量程、精度高渦街流量計(jì)的需求日漸迫切,各種儀表系數(shù)非線性修正方法和應(yīng)用相繼出現(xiàn)。最早出現(xiàn)的是采用硬件電路進(jìn)行修正。該方法穩(wěn)定可靠,但只適用于單調(diào)上升(或下降)的曲線形狀!5]。由于電子技術(shù)特別是單片機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,這一問(wèn)題得到了更好的解決。由實(shí)際標(biāo)定的結(jié)果可以回歸為儀表系數(shù)與頻率函數(shù)關(guān)系式,并將表達(dá)式存人單片機(jī)系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中。測(cè)量傳感器信號(hào)頻率,根據(jù)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算出此時(shí)的儀表系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)儀表非線性修正。相關(guān)公式如下:
平均儀表系數(shù)`K:
式中:Kij一第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)第j次檢測(cè)的儀表系數(shù)。修正方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:
(1)通過(guò)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量K-Qv曲線中的特征點(diǎn)。每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量三次,相同時(shí)間t內(nèi)每次脈沖為N1、N2和N3計(jì)算頻率后,采用三次樣條[6)擬合,繪制K-Qv特征曲線。理論上測(cè)量點(diǎn)越多越正確。頻率計(jì)算式為ƒ=(N1+N2+N3)/3t。(2)計(jì)算渦街流量計(jì)特征曲線的平均值K,按精度要求計(jì)算Kmin和Kmax。對(duì)于氣體渦街流量計(jì),線性誤差E1=0.015。所以,Kmin=K-KE1/2,Kmax=K+KE1/2。
(3)計(jì)算需要修正的頻率段。在待修正頻率段內(nèi)選擇步長(zhǎng)t=0.015Hz,每隔l計(jì)算K,每-一個(gè)ƒi對(duì)應(yīng)一個(gè)Ki。由ƒi/Ki=ƒimin/Knin=fimax/Kmax=qvi計(jì)算每個(gè)ƒi將被修正成的ƒimax和ƒimin。.
(4)將有交集的ƒimax-ƒimin合并,即將相鄰ƒi都修正為同一個(gè)ƒi。ƒj只要在ƒimax和ƒimin之間就能夠滿(mǎn)足線性度要求,從而完成優(yōu)化。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證改進(jìn)后的渦街流量計(jì)工作效果,將DN100口徑的渦街流量計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)水裝置上進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)。表1為改進(jìn)前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),該渦街流量計(jì)量程范圍在34.9~497.7L/h,其線性度為E1=.1.121%。流量在5.6~34.9L/h是非線性的,但具有較好的重復(fù)性,需要進(jìn)行非線性修正。
根據(jù)文中提出的修正方法,得到圖2的擬合曲線和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2
由表2可見(jiàn),修正后的量程范圍Q為6.05~497.79L/h,線性度為E1=1.111%,滿(mǎn)足氣體渦街流量計(jì)的要求，且量程范圍擴(kuò)大。
4結(jié)束語(yǔ)
一種基于單片機(jī)MSP430的渦街流量計(jì),利用儀表系數(shù)非線性修正法對(duì)其進(jìn)行修正,擴(kuò)大了其測(cè)量的量程范圍。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單.功耗低,效果明顯,適合在煤礦瓦斯抽放管路中應(yīng)用且可以推廣到其他行業(yè)領(lǐng)域。
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