于洪仕

(遼寧工程技術(shù)大學 電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島 125105)

瓦斯抽放管路流量測量的渦街流量計設(shè)計

于洪仕

(遼寧工程技術(shù)大學 電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島 125105)

渦街流量計的儀表系數(shù)只能在較窄的范圍內(nèi)保持恒定,從而制約了其測量范圍。利用儀表系數(shù)非線性修正的方法對其進行改進。實驗證明,改進后的渦街流量計,量程范圍為 6.05～497.79 L/h,線性度為 1.111%,在保證精度的前提下可以有效的擴展量程范圍,適合在煤礦瓦斯抽放管路中使用。

渦街流量計;瓦斯抽放;儀表系數(shù);非線性修正

Abstract:This paper is an attempt to improve theK-factor of vertex flowmeter which stays constant only in a narrow scope,with a resulting restraintof the measurement range.The paper features the vortex flowmeter improved by adopting a nonlinear modified method ofK-factor.Exper iments indicate that the im proved vortex flowmeter boasts the measurement range of 6.05～497.79 L/h and the linearity of 1.111%.The improved vortex flowmeter allows the measurement range to be effectively increased,with ensured accuracy and promises to come into use in the mine gas drainage pipeline.

Key words:vortex flowmeter;gas drainage;K-factor;nonlinearmodified

0 引 言

治理煤礦瓦斯最直接有效的措施是對井下的瓦斯進行抽放。目前,我國煤礦瓦斯抽放管路流量的測定方法主要有孔板流量測定、均速管測定、皮托管流量測定等[1]。由于采用的原理是節(jié)流原理,人為減少抽放管道的直徑,影響抽放效果。渦街流量計因其介質(zhì)適應性強、無可動部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壓力損失小等諸多優(yōu)點,應用廣泛。該流量計在正常范圍內(nèi),其儀表系數(shù)基本為一常數(shù),但在測量小流量時表現(xiàn)出明顯的非線性,制約了渦街流量計測量范圍和測量精度[2]。研究發(fā)現(xiàn),渦街流量計的頻率輸出信號在較寬的量程范圍內(nèi)都能獲得良好的重復性。普通模擬渦街流量計確保儀表系數(shù)線性度在 1%以內(nèi)的量程比只能達到 10∶1,遠低于理論量程比 100∶1。為此,筆者設(shè)計一種新型的渦街流量計,以使其在保證精度和線性度的前提下具有較寬的量程,特別是降低測量下限。

1 渦街流量計的測量原理

渦街流量計測量的理論基礎(chǔ)是流體力學中著名的“卡曼渦街”原理。在流體中放置一根軸線與流向垂直的非流線型柱形體,稱之為旋渦發(fā)生體。當流體沿旋渦發(fā)生體繞流時,會在旋渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對稱但有規(guī)律的交替旋渦列,這就是所謂的卡曼渦街。大量實驗證明:在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),穩(wěn)定的旋渦發(fā)生頻率 f與流經(jīng)旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速 v1之間的關(guān)系可表示為:

式中:St——斯特勞哈爾數(shù),對一定形狀的旋渦發(fā)生體在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)其量綱為 1;

b——旋渦發(fā)生體迎流面的寬度,m;

v——管道內(nèi)的平均流速,m/s;

A——旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與管道的橫截面積之比;

D——管道內(nèi)徑,m。

交替地作用在旋渦發(fā)生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率,通過壓電探頭對升力變化頻率的檢測,即可得到 f,再由式 (1)可得體積流量為:

式中:qV——體積流量,m3/s;

K——渦街流量計的儀表系數(shù),m-3。

由式 (2)可見,渦街流量計測量流體的體積流量,主要是通過測量渦街頻率 f來實現(xiàn)的,而渦街頻率 f只與流速υ和發(fā)生體的幾何參數(shù) (形狀和幾何尺寸)有關(guān),而與被測流體的特性和組分無關(guān)[3]。由式 (3)可知,儀表系數(shù) K應為常數(shù),但實際情況并非如此,在小流量時,儀表系數(shù) K是非線性的。

2 系統(tǒng)硬件與儀表系數(shù)非線性修正方法

2.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)見圖 1。整體硬件結(jié)構(gòu)可以分為以下幾個部分:檢測復合信號和振動信號的“三線共地型”壓電探頭傳感器以及后續(xù)處理電路;為系統(tǒng)各模塊提供電源的電源電路;壓力傳感器的溫度、壓力檢測電路及后續(xù)調(diào)理電路;上、下位機通訊的 SCI通訊模塊電路;各種現(xiàn)場實時參數(shù)顯示的液晶顯示電路;各種掉電數(shù)據(jù)保存的鐵電存儲FRAM電路;掉電時間計算的 DS1302時間電路;現(xiàn)場用戶翻頁選擇的按鍵輸入電路以及脈沖輸出電路;采用MSP430單片機的微處理器[4]。

圖 1 系統(tǒng)整體硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of whole system

2.2 非線性儀表系數(shù)修正

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進步,對寬量程、高精度渦街流量計的需求日漸迫切,各種儀表系數(shù)非線性修正方法和應用相繼出現(xiàn)。最早出現(xiàn)的是采用硬件電路進行修正。該方法穩(wěn)定可靠,但只適用于單調(diào)上升 (或下降)的曲線形狀[5]。由于電子技術(shù)特別是單片機技術(shù)的迅猛發(fā)展,這一問題得到了更好的解決。由實際標定的結(jié)果可以回歸為儀表系數(shù)與頻率函數(shù)關(guān)系式,并將表達式存入單片機系統(tǒng)的程序存儲器中。測量傳感器信號頻率,根據(jù)函數(shù)表達式計算出此時的儀表系數(shù),從而實現(xiàn)儀表非線性修正。相關(guān)公式如下:

式中:Kij——第 i個檢測點第 j次檢測的儀表系數(shù)。修正方法的實現(xiàn)過程:

(1)通過水流量標準裝置測量 K-Qv曲線中的特征點。每個流量點測量三次,相同時間 t內(nèi)每次脈沖為 N1、N2和 N3,計算頻率后,采用三次樣條[6]擬合,繪制 K-Qv特征曲線。理論上測量點越多越準確。頻率計算式為 f=(N1+N2+N3)/3t。

(2)計算渦街流量計特征曲線的平均值 K,按精度要求計算 Kmin和 Kmax。對于氣體渦街流量計,線性誤差 El=0.015。所以,Kmin=K-KEl/2,Kmax=K+KEl/2。

(3)計算需要修正的頻率段。在待修正頻率段內(nèi)選擇步長 l=0.015 Hz,每隔 l計算 K,每一個 fi對應一個 Ki。由 fi/Ki=fimin/Kmin=fimax/Kmax=qVi計算每個 fi將被修正成的 fimax和 fimin。

(4)將有交集的 fimax-fimin合并,即將相鄰 fi都修正為同一個 fj。fj只要在 fimax和 fimin之間就能夠滿足線性度要求,從而完成優(yōu)化。

3 實驗結(jié)果

為驗證改進后的渦街流量計工作效果,將DN100口徑的渦街流量計用于標準水裝置上進行實流實驗。表 1為改進前的實驗數(shù)據(jù),該渦街流量計量程范圍在 34.9～497.7 L/h,其線性度為 El=1.121%。流量在 5.6～34.9 L/h是非線性的,但具有較好的重復性,需要進行非線性修正。

表 1 DN100渦街流量計修正前實驗數(shù)據(jù)Table 1 DN100 vertex flowmeter’s exper imental data without nonlinear modification

根據(jù)文中提出的修正方法,得到圖 2的擬合曲線和改進后的實驗數(shù)據(jù)表 2。

由表 2可見,修正后的量程范圍 Q為 6.05～497.79 L/h,線性度為 El=1.111%,滿足氣體渦街流量計的要求,且量程范圍擴大。

圖 2 渦街流量計儀表系數(shù) K與流量的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship ofK-factor and flow quantity

表 2 DN100渦街流量計修正后實驗數(shù)據(jù)Table 2 DN100 vertex flowmeter’s exper imental data with nonl inear modification

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種基于單片機MSP430的渦街流量計,利用儀表系數(shù)非線性修正法對其進行修正,擴大了其測量的量程范圍。該方法實現(xiàn)簡單,功耗低,效果明顯,適合在煤礦瓦斯抽放管路中應用且可以推廣到其他行業(yè)領(lǐng)域。

[1] 何明剛,楊曉丹,張軍杰,等.渦街氣體流量計在瓦斯抽放管路流量測定中的應用淺析[J].煤礦安全,2008(1):37-39.

[2] 蘇彥勛,梁偉國,盛 健.流量計量與測試[M].北京:中國計量出版社,2007.

[3] 姜仲霞,姜川濤,劉桂芳.渦街流量計[M].北京:中國石化出版社,2006.

[4] 謝 敏.基于MSP430的低功耗儀表系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2007,23(22):142-144.

[5] 唐懷璞,劉蘊華.流量儀表中儀表系數(shù)的非線性修正[J].自動化儀表,2000(11):5-6.

[6] 徐士良.數(shù)值分析與算法[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

(編輯 晁曉筠)

Improvement of vortex flowmeter to measure gas flow in gas drainage pipeline

YU Hongshi
(School of Electronic&Information Engineering,Liaoning TechnicalUniversity,Huludao 125105,China)

TD679

A

1671-0118(2011)01-0061-03

2010-12-28

中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術(shù)研究指導性計劃項目(MTKJ2010-329)

于洪仕 (1980-),男,遼寧省莊河人,助教,碩士,研究方向:工業(yè)過程自動控制與檢測,E-mail:yuhongke-2004@163.com。