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涡街流量计仪表常数与流体流速的关系及分段补

  涡街流量计仪表常数与流体流速的关系及分段补偿，通过对涡街流量计的仪表常数随着流速的变化而略有起伏这个规律的观察与总结，建立数学模型，并根据这个数学模型，可以在不同的流速段对仪表常数做适当的补偿，可以提高涡街流量计的计算精度，该方案通过单片机809C51实现。    

　　根据多年的应用经验以及大量的现场数据，我们发现涡街流量计的仪表常数与流体的流速存在一定的关系，本文通过寻找涡街流量计仪表常数与流体流速的关系，建立了两者的数学模型，在流量计算时对它进行补偿，提高了计算精度。

　　1.1　涡街流量计的工作原理

　　涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计，即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(涡街流量传感器中称之为漩涡发生体)，就会在其下流两侧产生两列有规律的漩涡，即卡门涡街其漩涡频率正比于流体速度:

　　1.2　涡街流量计的特点

　　(1)输出的信号是与流速成正比的脉冲信号，便于数据处理和计算机联网。

　　(2)量程范围宽，精度高。

　　(3)无可动部件，可靠性较高，结构简单，便于安装维修。

　　(4)检测元件与被测介质不直接接触，不受流体的化学性质影响，应用范围宽，寿命长。

　　(5)抗干扰能力强，容易进行流量计算，不受流体物理性质的影响，给仪表的标定和使用带来了方便。

　　2　误差的产生及补偿

　　2.1　非线性误差的产生

　　由于涡街传感器所测的并不是平均流速，而是漩涡发生体两侧的流速。对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速，与管道平均流速的关系不是确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的。在实际使用时，先绘出传感器的仪表常数与流体流速的试验曲线，据此得到不同流速段的实际仪表常数。本文应用MCS251单片机系列的89C51将试验曲线事先固化于流量计的EPROM中，用户结合现场具体工作情况通过键盘输入平均仪表常数KP的值(KP= (Kmax+Kmin) /2)，实现了涡街传感器的非线性修正。

　　2.2　仪表常数与流体流速的关系及分段补偿

　　我们知道涡街流量计频率与流量成正比，理论上讲，涡街流量计输出频率与流速成正比，也就是说仪表常数恒定。实际上，由于流量计本身的因素导致两者之间存在一定程度的非线性误差。鉴此，我们做出了一条仪表常数与流速的实验关系曲线，如图1所示。图中各点坐标分别为A(Vmin，1.004 9KP)，B(15%Vmax，0.997KP)，C(30%Vmax，0.992853KP)，D(50%Vmax，0.994883KP)，E(75%Vmax，KP)，F(Vmax，KP)。

　　针对这种误差规律，我们采取分段补偿的方式进行误差修正。由图1可以看出，随着流速的降低，曲线偏离平均值越大，对此我们采用的方法可以达到两个目的:

　　(1)无论偏差值多大，只要它有规律可循，就可补偿修正，还可以把流量的下限即Vmin在坐标上向左移动，涡街流量计现货，即扩大传感器的量程。

　　(2)根据精度要求合理划分区间，在误差大的低流速区间线段取密一些，在误差小的高流速区间可适当将区间放宽。

　　为了满足修正后非线性误差在0. 3%以下的要求，我们根据理论分析和曲线规律，分别在12%Vmax、60%Vmax处增加两点(见图2)，坐标分别为G(12%Vmax，KP)，H(60%Vmax，0.998KP)。理由:

　　①Vmin/Vmax=8% ~9%;②DE曲线间无拐点且下凹;③AB曲线间无拐点且下凹。这样，把整个流速范围分成了六段，如表1。这样处理后，可修正非线性误差在0.3%以下。

　　2.3　补偿后非线性误差计算及验证

　　表2为补偿后各段仪表常数的非线性误差计算值。

　　下面用某厂生产口径为Dg80的涡街流量计为例验证补偿效果(产品编号:04150)。表3为原始检测数据.

　　2.4　计算流量

　　瞬时流量计算公式:

　　3　系统的实现

　　3.1　系统可以实现的功能

　　(1)以89C51为核心元件，X25045存储数据。

　　(2)采用82C79单片机，可以同时显示瞬时流量(4位)以及累积流量(6位+2位幂数)，连云港涡街流量计，其显示单位为体积流量。

　　(3)具有掉电检测、保护功能(HT7044监测电压)，掉电后数据存入X25045中。

　　(4)具有看门狗功能。

　　(5)采用键盘输入，输入内容包括:仪表常数、瞬时流量上限、瞬时流量下限等。

　　3.2　主要程序模块

　　(1)主程序。

　　(2)定时器中断服务程序。

　　(3)键盘中断处理子程序。

　　(4)掉电处理子程序。

　　(5)25045读/写状态寄存器子程序。

　　(6)瞬时流量计算程序SSJS。

　　(7)累积流量计算程序LJJS。

　　(8)量程判别子程序CSDS。

　　用单片机89C51验证了误差补偿的数学模型，并实现了高精度智能涡街流量积算仪的设计，通过对仪表常数的修正使系统的精度有很大的提高，可以使涡街流量积算仪达到0. 5级标准，采用89C51单片机使系统的稳定性和快速性都得到了提高，82C79**的键盘显示接口芯片，代替单片机完成键盘和显示器的许多接口操作，X25045可以将数据实时存储起来，系统软硬件设计合理、可行，具有工程实用价值。

涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响；无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小；仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+350℃的工作温度范围内工作，有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的流量仪表。

工作原理

在流体中设置非流线型旋涡发生体（阻流体），则从旋涡发生体两侧交替地产生两列有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街。

涡街流量计的特点：

1)涡街流量计的传感器结构简单，测量管内没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件。所以当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失，是流量计中运行能耗低的流量仪表之一。

　　2)可测量赃污介质、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量。这是由于仪表测量管内部无阻碍流动部件，与被测流体接触的只是测量管内衬和电极，其材料可根据被测流体的性质来选择。例如，用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做内衬，可测量各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；采用耐磨橡胶做内衬，就特别适合于测量带有固体颗粒的、磨损较大的矿浆、水泥浆等液固两相流以及各种带纤维液体和纸浆等悬浊液体。

　　3)涡街流量计是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度、粘度、密度以电导率(在一定范围)的影响。因此，涡街流量计只需经水标定后，就可心用来测量其它导电性液体的流量。

　　4)涡街流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比，而与对称分布下的流动状态(层流或湍流)无关。所以涡街流量计的量程范围较宽，其测量范围度可达100：1，有的甚至达1000：1的可运行流量范围。

　　5)涡街流量计无机械惯性，反应灵敏，涡街流量计厂，可以测量瞬时脉动流量，也可测量正反两个方向的流量。

　　6)工业用涡街流量计的口径范围较宽，涡街流量计厂商，从几个毫米一直到几米，而且国内已有口径达3m的实流校验设备，为涡街流量计的应用和发展奠定了基础。