高精度智能涡街流量变送器的研究

　　1　引　　言

　　在石油、化工、电力、冶金、采矿、食品、轻工等很多工业生产过程中,对流量的测量都是必不可少的。由于流量测量经常涉及到经济核算和贸易结算,因此计量的准确性愈来愈受到人们的普遍关注。

　　涡街流量计具有量程宽,无可动部件,运行可靠,维护简单,压力损失小,具有一定的计量精度等优点,特别是在很宽的范围内,它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关,因而受到普遍欢迎,虽然它仅有三十年左右的历史,但已发展成为广泛使用的流量计之一〔1〕。如何进一步提高其测量精度是一个重要而又现实的问题。本文首先从流体力学理论和实验数据说明　　涡街流量计误差主要来源于其固有的非线性,提出了一种实用的非线性修正方法,最后介绍了作者研制的高精度涡街变送器。

　　2　非线性误差分析

　　在流动的流体中放置一个柱形钝体——涡街流量传感器中称之为漩涡发生体,就会在其下游两侧产生两列有规律的漩涡即卡门涡街,其漩涡频率正比于来流速度:

　　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〔2〕,其中d为几何结构尺寸。故F与u是成正比的,利用这一特性制成了涡街流量计。

　　上述雷诺数定义为:

　　然而,在利用这一规律测量圆形管道中流体流量时,由于管道中流速分布的不均匀,会造成非线性测量误差。

　　流量Q(m3/h)定义为:

　　s——管道截面积

　　涡街流量传感器所检测到的并不是平均流速u-,而大约反映的是漩涡发生体两侧的流速。

　　图1(a)给出了涡街流量传感器的示意图,图1(b)和图1(c)分别显示了在层流状态和湍流状态下不均匀的流速分布。工况下流体介质在管道中经常处于湍流状态。它的定量描述为:

　　可见在不同的雷诺数下,流速分布规律是不同的。而根据雷诺数的定义,管道口径和流体介质确定后,平均流速唯一确定了雷诺数的大小,即不同流速下具有不同的流速分布,进而说明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u与管道平均流速u-的关系不是唯一确定的。以50mm口径的涡街流量计为例,它的漩涡发生体宽度为14mm,测量流体为水。按式(4)可计算出不同平均流速下的u/u-,列于表1。

　　由于实际测量到的是u而非u-,故在式(3)中应该使用K′=u/u-予以修正,即:

　　上式中St、s、d均为常数,K将随K′的变化而变化,即严格的说仪表系数K不再是一个常数,它随着流速的变化而改变。这一分析得到了实验的证实。表1同时给出了实验测定的各流速点的K与K/K-之值,K-为通常定义的各流速点的平均仪表系数。图2在一张图上给出了u/u-与K/K-的图,u/u-是理论计算得到的,K/K-是实验测量得到的,可见非线性趋势是非常一致的。