具有仪表系数非线性补偿功能的涡街流量变送器

　　1　引　言

　　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。它仅有30年左右的历史,因此,对它的研究尚不是很深入,如何进一步提高其测量精度是一个重要而又现实的问题。由于涡街的仪表系数具有弱非线性,对于恒定仪表系数的涡街流量计来说,要满足较高测量精度的要求,就不能应用在很多宽的量程范围内。常用的仪表系数非线性修正方法是通过标定,拟合出频率与仪表系数的函数关系,在软件中加以计算。这种方法能获得较高的精度,但每次标定都需要重写程序,增加了仪表使用的复杂性。本文通过分析仪表系数的非线性规律,提出了一种实用的非线性修正方法———涡街仪表系数特征曲线修正法,同时介绍了应用该方法研制的高精度涡街变送器。

　　2　涡街仪表系数特征曲线修正法

　　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,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。

　　涡街流量计在实用中常用下式计算流量:

　　根据式(1),理论上,仪表系数在很宽的流量范围内应是一个常数,但是,实际标定的情况并不是这样,仪表系数具有弱非线性。

　　通过分析大量标定数据发现,对于管径相同,涡街发生体尺寸相同,测量介质相同的涡街传感器,其仪表系数对频率的曲线具有非常相似的曲线形状。以三台50 mm口径的涡街流量计为例,它的漩涡发生体宽度为14 mm,测量流体为水。如图1所示,它们的仪表系数曲线具有很好的相似性,K=f(F)函数曲线形状基本相同,而每台之间仅有平移的差值,因此将该函数确定为如下　　形式:

　　一定的通用性,用户象使用传统仪表一样,仅设置平均仪表系数,而且在仪表进行定期重新标定之后,不必再由生产厂家重新进行非线性修正。

　　表1给出了三台50mm口径的仪表用上述方法进行非线性修正后的非线性误差。可见修正的效果是明显的,由修正前的1%的精度提高到0.5%,此方法是可行的。

　　在流量测量仪表的使用过程中,常常会遇到测量非标定介质的情况,在这种情况下,涡街仪表系数特征曲线法还需要进一步完善。由式(1)可见,涡街传感器信号频率仅取决于流速,而与流体的温度、压力、密度、组分等参数无关。因此,不管被测流体是哪一种介质,原则上可只用一种介质进行实流标定,即可以用到其它介质。这在不进行非线性修正,仅用一个平均仪表系数进行流量计算时是毫无问题的。而且,各涡街生产厂家目前也是这么做的。问题在于进行非线性修正时,修正曲线是按照实验标定时的流速范围拟合的。