摘要:通過對渦街流量計的儀表常數(shù)隨著流速的變化而略有起伏這個規(guī)律的觀察與總結(jié),建立數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)這個數(shù)學(xué)模型,可以在不同的流速段對儀表常數(shù)做適當(dāng)?shù)难a償,可以提高渦街流量計的計算精度。該方案通過單片機809C51實現(xiàn)。
1引言
根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗以及大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)渦街流量計的儀表常數(shù)與流體的流速存在一定的關(guān)系,本文通過尋找渦街流量計儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系，建立了兩者的數(shù)學(xué)模型,在流量計算時對它進行補償,提高了計算精度。
1.1渦街流量計的工作原理
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一-種流.體振蕩性流量計,即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體),就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦,即卡門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,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,漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u成正比，利用這-特性制成了渦街流量計。
1.2渦街流量計的特點
(1)輸出的信號是與流速成正比的脈沖信號，便于數(shù)據(jù)處理和計算機聯(lián)網(wǎng)。
(2)量程范圍寬,精度高。
(3)無可動部件，可靠性較高,結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝維修。
(4)檢測元件與被測介質(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。
(5)抗干擾能力強,容易進行流量計算,不受流，體物理性質(zhì)的影響,給儀表的標定和使用帶來了方便。
2誤差的產(chǎn)生及補償
2.1非線性誤差的產(chǎn)生
由于渦街傳感器所測的并不是平均流速,而是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。對于湍流狀態(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,進而說明了渦街流量傳感器檢測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。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時,先繪出傳感器的儀表常數(shù)與流體流速的試驗曲線,據(jù)此得到不同流速段的實際儀表常數(shù)。本文應(yīng)用MCS-51單片機系列的89C51將試驗曲線事先固化于流量計的EPROM中,用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工作情況通過鍵盤輸人平均儀表常數(shù)Kp的值(Kp=(Kmax+Kmin)/2),實現(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)系及分段補償
我們知道渦街流量計頻率與流量成正比,理論上講,渦街流量計輸出頻率與流速成正比,也就是說儀表常數(shù)恒定。實際上,由于流量計本身的因素導(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)與流速的實驗關(guān)系曲線,如圖1所示。圖中各點坐標分別為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)。
針對這種誤差規(guī)律,我們采取分段補償?shù)姆绞竭M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,對此我們采用的方法可以達到兩個目的:
(1)無論偏差值多大,只要它有規(guī)律可循,就可補償修正,還可以把流量的下限即Vmin在坐標上向左移動,即擴大傳感器的量程。.
(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(見圖2),坐標分別為G(12%Vmax,Kp),H(60%Vmax,0.998Kp)。理由:①Vmin/Vmax=8%~9%;②DE曲線間無拐點且下凹;③AB曲線間無拐點且下凹。這樣，把整個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補償后非線性誤差計算及驗證
表2為補償后各段儀表常數(shù)的非線性誤差計算值。
下面用某廠生產(chǎn)口徑為Dg80的渦街流量計為例驗證補償效果(產(chǎn)品編號:04150)。
表3為原始檢測數(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為補償后的各段儀表常數(shù)以及非線性誤差計算值。由此可見,補償后精度得到了提高。
2.4計算流量
瞬時流量計算公式:
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---累計時間。
3系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.1系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能
(1)以89C51為核心元件,X25045存儲數(shù)據(jù)。
(2)采用82C79單片機，可以同時顯示瞬時流量(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、保護功能(HT7044監(jiān)測電壓),掉電后數(shù)據(jù)存人X25045中。
(4)具有看門狗功能。
(5)采用鍵盤輸人,輸入內(nèi)容包括:儀表常數(shù)、瞬時流量上限、瞬時流量下限等。
3.2主要程序模塊
(1)主程序。
(2)定時器中斷服務(wù)程序。
(3)鍵盤中斷處理子程序。
(4)掉電處理子程序。
(5)25045讀/寫狀態(tài)寄存器子程序。
(6)瞬時流量計算程序SSJS。
(7)累積流量計算程序LJJS。
(8)量程判別子程序CSDS。
4結(jié)束語
用單片機89C51驗證了誤差補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，并實現(xiàn)了高精度智能渦街流量積算儀的設(shè)計，通過對儀表常數(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到0.5級標準。采用89C51單片機使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都得到了提高,82C79專用的鍵盤顯示接口芯片,代替單片機完成鍵盤和顯示器的許多接口操作，X25045可以將數(shù)據(jù)實時存儲起來。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、可行,具有工程實用價值。
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