涡街流量计测量系统不确定度的分析

　　1卡门涡街流量计工作原理

　　涡街流量计是利用卡门涡街原理来实现对流体速度的测量。在流体管道中插入一个或多个非线型的漩涡发生体，流体就会在漩涡发生体下游交替产生两列有规则的漩涡。本文中所涉及到的漩涡发生体均以单个圆柱形漩涡发生体为例，如图1所示。

　　式中： f为漩涡频率;d为漩涡发生体迎流面宽度(特征长度);v为漩涡发生体两侧平均流速;v1为管道平均流速;Sr为斯特劳哈尔数;m为漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面积之比。

　　2液体流量测量不确定度分析

　　2.1不确定度来源

　　流量测量的随机不确定度可以通过涡街流量计的反复测量校准得到。一般认为随机不确定度远远小于系统不确定度，因此集中讨论系统不确定

度，按ISO指南的B类不确定度评定。影响流量计算式结果的参数包括管径D，漩涡发生特征长度d，漩涡发生频率f以及斯特劳哈尔数，这几个参数的不确定度均会影响测量系统的精度，因此涡街流量计的系统不确定度可以从流量计算中各个测量参数推导出来。

　　2.2涡街流量传感器尺寸公差引入的不确定度

　　由于加工精度原因，涡街流量计的管道直径和漩涡发生体的特征长度总是存在一定的公差。根据JB/T9249-1999《涡街流量传感器》，涡街 流量传感器各个零部件的尺寸精度应选择达到设计要求的值，在此基础上，不同的公差等级对应不同的不确定度。由于尺寸公差是一个范围，可按均匀分布处理，管 径、漩涡发生特征长度的不确定度分别为：

　　2.3斯特劳哈尔数引入的不确定度

　　斯特劳哈尔数是一个准则数，当发生体及管道形状和尺寸比例相同时，在雷诺数相等的条件下，Sr的值是相等的，因此可以认为Sr是Re与发生

体几何比例因子的函数，在计算Sr的不确定度的灵敏度系数时可以把Sr看作是与测量管径D、漩涡发生特征长度d和漩涡发生频率f相互独立的参数。 Sr的不确定度受多个因素影响，且影响大小相近，因此可以认为Sr的不确定度为正态分布[1]。日本工业标准(JIS Z 8766：2002)有关涡截流量计的干标定内容中给出了Sr的扩展不确定度Est(包含因子为2)的计算公式[2]。

　　斯特劳哈尔数的标准不确定度为：

　　2.4涡街频率测量引入的不确定度

　　脉冲频率的检测可以通过单片机的中断与定时、计数功能来实现[3]。对脉冲频率的测量一般分为计时方法、计频方法和周期同步测量方法。计时方法 适用于高频脉冲频率测量，计频方法适用于低频脉冲频率测量，但是计时、计频方法和周期同步测量方法都无法避免外部脉冲、内部时钟脉冲的误差以及单片机软件 误差。为了减小脉冲频率测量的不确定度，可以对计时方法采用双计数方法进行改进，使计时内部中断功能由外部脉冲信号的上升沿激发[4]，采用两个计数器分 别对计时时间内采样脉冲信号的上升沿和下降沿进行计数。