基于8098的高精度标准气体流量测控仪

　　0　引言

　　气体流量的测控在环保、化工、冶金等行业具有重要的意义。传统的工业流量测控仪表只能对气体的瞬时流量进行测控,测控精度较低。现代化生产过程对计量的准确度提出了越来越高的要求,希望测量和控制的为不受外界条件影响的气体质量或标准状态下的体积流量,这对传统仪表提出了挑战。

　　本文以8098单片机为核心,并充分利用其硬件资源,设计了一种高精度标准气体流量测控仪。整个系统结构简单、功能完善、测控精度高、抗干抗能力强。

　　1　气体流量测量原理

　　1.1　瞬时流量测量原理[1,2]

　　涡街流量计是一种速度式流量计,输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号,其原理如图1所示。

　　在流体经过的管道中放置一个柱型钝体,就会在其下游两侧产生两列有规律的旋涡,即卡门涡街,涡街频率正比于旋涡发生体两侧的流体流速:

　　式中:f为涡街频率,Hz,d为旋涡发生体宽度,m,v1为旋涡发生体两侧的流速,m/s,St为斯特罗哈数。

　　流体力学的理论和实验证实,在雷诺数Re=3×10²~2×10⁵这一极宽的范围内,St基本是一常数,这段范围为流量计的正常测量范围。

　　流量q定义为

　　q=-v·S₂(m³/s) (2)

　　式中:S2为管道截面积;-v为管道内流体的平均流速。

　　由于涡街流量计的管道内插有旋涡发生体,因此管道内流体的平均流速-v与旋涡发生体两侧的流速v1不同。流体连续方程为

　　v₁·S₁=-v·S₂(3)

　　式中:S1为旋涡发生体处管道的截面积。

　　设S1/S2=m,当d/D<0.35时,可以近似认为

　　m=1-1.25d/D (4)

　　式中:D为流量计管道内径。

　　整理式(1)~式(4),得:

　　q=f/k (5)

　　式中: k为流量计系数,1/m³,k=4St[πD²d·(1-1.25d/D)]。

　　当流量计管道内径D和旋涡发生体宽度d为确定值时,k值随之确定。从式(5)可知,在一定的雷诺数范围内,流量q与旋涡的频率f成线性关系,只要测量出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量q。

　　1.2　标准状态下的体积流量(质量流量)测量原理

　　对于气体来说,上述测量结果是工况条件下的实际体积流量。但是,如果温度、压力不同,相同体积气体包容的真实量却大相径庭。因此计量气体必须有一个统一的尺度,那就是气体的质量或标准条件下(20℃,101.325kPa)的体积流量。本文用下列数学模型将工况条件下的体积流量转换成标准流量。

　　经典理想气体方程为

　　pV=RT(6)