智能涡街流量计的设计与实现

0　引言

    涡街流量计以其压力损失小、测量精度高、量程范围宽、运行可靠、维护简单以及性价比高等特点,越来越多的被广大用户所认可和使用[1]。然而,人们在使用中发现虽然它有很多优点,但流速较低时存在测量不稳定的局限性,限制它的使用范围。针对涡街传感器在流量较低时存在较大非线性特性问题,微处理器根据其输出特性曲线进行非线性校正,扩展了流量计的测量下限,扩大了涡街流量计的使用范围。

1　系统工作原理与总体设计

1.1　工作原理

    涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流体振动式流量计,即在流动的流体中垂直放置一个非流线型的对称形状的物体,流体绕过漩涡发生体时,出现附面层分离,在漩涡发生体的左右两侧后方会交替产生两列有规律的漩涡,即卡门涡街,当两漩涡列之间的距离和同列的两个漩涡之间的距离L满足公式h /L =0·281时,其漩涡频率正比于来流速度:

    f=S_tu /d                             (1)

式中,f为涡街频率; u为来流速度;d为漩涡发生体宽度; s_t为斯特劳哈尔数。s_t与漩涡发生体宽度d及雷诺数Re有关,当Re在2×10⁴~7×10⁶的范围内,S_t基本保持不变。

    式(1)表明,当d与S_t为定值时,漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比,涡街流量计就是根据上述原理进行流量测量的。由于涡街传感器所测的并不是平均流速,而大约是漩涡发生体两侧的流速。对于湍流状态,不同的雷诺数下,流速分布规律是不同的,即不同的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与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是由其检测机理所决定的^[2]。在实际使用时,先测出传感器的仪表系数k与频率f的试验曲线F(f):

    k =F(f) =KG(f)                    (2)

式中,G(f)为同一口径的涡街传感器具有的相同特性曲线,对该曲线进行分段线性处理,并固化在流量计中,实现涡街传感器的非线性修正。

1.2　系统总体设计分析

    系统主要由如下模块组成:涡街传感器信号调理模块,人机交互模块,RS485通信模块、4mA—20mA电流环模块、频率输出模块以及电源与掉电检测模块,系统框图如图1所示。

    涡街传感器信号调理模块是将传感器输出的微弱信号进行滤波与放大,再经过由运放和电阻组成的比较器电路进行整形,转换为MSP430F435可以测量的方波信号。

    人机交互模块主要由液晶显示屏和键盘组成,主要用于涡街流量计菜单设置,完成累积流量和瞬时流量的实时显示,并通过该模块实现了对仪表系数等参数的校正和修改。