摘要:通過(guò)對(duì)渦街流量計(jì)的儀表常數(shù)隨著流速的變化而略有起伏這個(gè)規(guī)律的觀察與總結(jié),建立數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型,可以在不同的流速段對(duì)儀表常數(shù)做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,可以提高渦街流量計(jì)的計(jì)算精度。該方案通過(guò)單片機(jī)809C51實(shí)現(xiàn)。
1引言
根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)渦街流量計(jì)的儀表常數(shù)與流體的流速存在一定的關(guān)系,本文通過(guò)尋找渦街流量計(jì)儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系，建立了兩者的數(shù)學(xué)模型,在流量計(jì)算時(shí)對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償,提高了計(jì)算精度。
1.1渦街流量計(jì)的工作原理
渦街流量計(jì)是基于卡門(mén)渦街原理制成的一-種流.體振蕩性流量計(jì),即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體),就會(huì)在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦,即卡門(mén)渦街其漩渦頻率正比于流體速度:
式中:F一旋渦頻率;d一漩渦發(fā)生體寬度;u一流體速度;St一斯特勞哈爾數(shù)。
St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關(guān)。當(dāng)Re<2x104時(shí),S,為變數(shù):當(dāng)Re在2x104~7x106的范圍內(nèi),St值基本上保持不變。
上式表明,當(dāng)d和St為定值時(shí),漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u(mài)成正比，利用這-特性制成了渦街流量計(jì)。
1.2渦街流量計(jì)的特點(diǎn)
(1)輸出的信號(hào)是與流速成正比的脈沖信號(hào)，便于數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。
(2)量程范圍寬,精度高。
(3)無(wú)可動(dòng)部件，可靠性較高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝維修。
(4)檢測(cè)元件與被測(cè)介質(zhì)不直接接觸,不受流體的化學(xué)性質(zhì)影響,應(yīng)用范圍寬，壽命長(zhǎng)。
(5)抗干擾能力強(qiáng),容易進(jìn)行流量計(jì)算,不受流，體物理性質(zhì)的影響,給儀表的標(biāo)定和使用帶來(lái)了方便。
2誤差的產(chǎn)生及補(bǔ)償
2.1非線性誤差的產(chǎn)生
由于渦街傳感器所測(cè)的并不是平均流速,而是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。對(duì)于湍流狀態(tài),不同的雷諾數(shù)下,流速分布規(guī)律是不同的,即不同的流速下具有不同的流速分布,進(jìn)而說(shuō)明了渦街流量傳感器檢測(cè)到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速,與管道平均流速的關(guān)系不是唯一確定的。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測(cè)機(jī)理所決定的。在實(shí)際使用時(shí),先繪出傳感器的儀表常數(shù)與流體流速的試驗(yàn)曲線,據(jù)此得到不同流速段的實(shí)際儀表常數(shù)。本文應(yīng)用MCS-51單片機(jī)系列的89C51將試驗(yàn)曲線事先固化于流量計(jì)的EPROM中,用戶結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體工作情況通過(guò)鍵盤(pán)輸人平均儀表常數(shù)Kp的值(Kp=(Kmax+Kmin)/2),實(shí)現(xiàn)了渦街傳感器的非線性修正。
2.2儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系及分段補(bǔ)償
我們知道渦街流量計(jì)頻率與流量成正比,理論上講,渦街流量計(jì)輸出頻率與流速成正比,也就是說(shuō)儀表常數(shù)恒定。實(shí)際上,由于流量計(jì)本身的因素導(dǎo)致兩者之間存在一定程度的非線性誤差。鑒此,我們做出了一條儀表常數(shù)與流速的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線,如圖1所示。圖中各點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(Vmin,1.0049Kp),B(15%Vmax,0.997Kp),C(30%Vmax0.992853Kp),D(50%Vmax,0.94883Kp),E(75%Vmax,Kp),F(Vmax,Kp)。
針對(duì)這種誤差規(guī)律,我們采取分段補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行誤差修正。由圖1可以看出,隨著流速的降低，曲線偏離平均值越大,對(duì)此我們采用的方法可以達(dá)到兩個(gè)目的:
(1)無(wú)論偏差值多大,只要它有規(guī)律可循,就可補(bǔ)償修正,還可以把流量的下限即Vmin在坐標(biāo)上向左移動(dòng),即擴(kuò)大傳感器的量程。.
(2)根據(jù)精度要求合理劃分區(qū)間，在誤差大的低流速區(qū)間線段取密一些,在誤差小的高流速區(qū)間可適當(dāng)將區(qū)間放寬。
為了滿足修正后非線性誤差在0.3%以下的要求，我們根據(jù)理論分析和曲線規(guī)律,分別在12%Vmax、60%Vmax處增加兩點(diǎn)(見(jiàn)圖2),坐標(biāo)分別為G(12%Vmax,Kp),H(60%Vmax,0.998Kp)。理由:①Vmin/Vmax=8%~9%;②DE曲線間無(wú)拐點(diǎn)且下凹;③AB曲線間無(wú)拐點(diǎn)且下凹。這樣，把整個(gè)流速范圍分成了六段,如表1。這樣處理后,可修正非線性誤差在0.3%以下。
2.3補(bǔ)償后非線性誤差計(jì)算及驗(yàn)證
表2為補(bǔ)償后各段儀表常數(shù)的非線性誤差計(jì)算值。
下面用某廠生產(chǎn)口徑為Dg80的渦街流量計(jì)為例驗(yàn)證補(bǔ)償效果(產(chǎn)品編號(hào):04150)。
表3為原始檢測(cè)數(shù)據(jù)。
平均儀表常數(shù):
Kp=(Kmax+Kmin)/2=2132.4305
非線性誤差:
δ=(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin)x100%=0.62%
表4為補(bǔ)償后的各段儀表常數(shù)以及非線性誤差計(jì)算值。由此可見(jiàn),補(bǔ)償后精度得到了提高。
2.4計(jì)算流量
瞬時(shí)流量計(jì)算公式:
Q=qvt
式中:fi、Ki-----第i頻率段的漩渦分離頻率和相應(yīng)的儀表常數(shù);t---累計(jì)時(shí)間。
3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能
(1)以89C51為核心元件,X25045存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
(2)采用82C79單片機(jī)，可以同時(shí)顯示瞬時(shí)流量(4位)以及累積流量(6位+2位冪數(shù)),其顯示單位為體積流量。
(3)具有掉電檢測(cè)、保護(hù)功能(HT7044監(jiān)測(cè)電壓),掉電后數(shù)據(jù)存人X25045中。
(4)具有看門(mén)狗功能。
(5)采用鍵盤(pán)輸人,輸入內(nèi)容包括:儀表常數(shù)、瞬時(shí)流量上限、瞬時(shí)流量下限等。
3.2主要程序模塊
(1)主程序。
(2)定時(shí)器中斷服務(wù)程序。
(3)鍵盤(pán)中斷處理子程序。
(4)掉電處理子程序。
(5)25045讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器子程序。
(6)瞬時(shí)流量計(jì)算程序SSJS。
(7)累積流量計(jì)算程序LJJS。
(8)量程判別子程序CSDS。
4結(jié)束語(yǔ)
用單片機(jī)89C51驗(yàn)證了誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)了高精度智能渦街流量積算儀的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)儀表常數(shù)的修正使系統(tǒng)的精度有很大的提高，可以使渦街流量積算儀達(dá)到0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。采用89C51單片機(jī)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都得到了提高,82C79專用的鍵盤(pán)顯示接口芯片,代替單片機(jī)完成鍵盤(pán)和顯示器的許多接口操作，X25045可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、可行,具有工程實(shí)用價(jià)值。
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