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涡街流量计的工作原理及测量准确性
发布日期:2017-10-9 8:30:48
涡街流量计检定时下限流量模拟输出的误差原因分析,当误差较大但重复性较好,频率输出正常时,要对零点检定,以保证检定结果的准确性和可靠性。
在使用标准表法气体流量标准装置检定模拟输出的涡街流量计时,常常出现流量计的相对误差较大,但重复性较好的问题。经检查该类流量计的频率输出正常,问题出在模拟输出上。经过多次试验,仔细研究、分析检定纪录,发现其问题多出现在涡街流量计的下限。
1 理论分析
1.1 涡街流量计的工作原理
在流体中设置旋涡发生体(阻流体),从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼涡街,如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f,被测介质流的平均速度为v,旋涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有如下关系式:
图1 卡曼涡街
式中:v1为旋涡发生体两侧平均流速,;Sr为斯特劳哈尔数;m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。
管道内体积流量qv为:
则流量计的仪表系数K(单位体积的脉冲数)为:
K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关,图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图2可见,Re在2×104~7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表正常工作范围。
图2 斯特劳哈尔数与雷诺数的关系曲线
由图2可知,只有当流体流动的雷诺数超过一定值以后,才能形成稳定的卡曼涡街,交替分离的漩涡才是所要检测的信号。而且在5×103≤Re≤2×104时,流量计不能保证计量的准确度。
1.2 涡街流量计的组成
涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器包括漩涡发生体(阻流体)、检测元件、仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。
1.3 模拟信号输出涡街流量计的应用
作为流量计量仪表,涡街流量计输出与状态体积流量成正比的方波脉冲信号,通过流量仪表实现流量计算。作为过程检测仪表,在自动控制系统中,为方便信号远传,提高信号的抗能力,涡街流量计将脉冲输出信号转换成标准的4~20mA模拟信号。
2 零点校正
我们的实验室环境、检定过程、检定方法均符合JJG198-1994《速度式流量计》检定规程的要求。在排除了检定步骤及操作错误带来误差的可能之后,又对检定纪录进行了全面分析,对部分流量计进行了频率检定,结果线性、重复性均较好,从而排除了流量计本身超差的可能性。模拟量输出的涡街流量计量程范围在4~20mA,检定时超差的部分都是在下限,说明问题可能是在模拟量输出的4mA上。经过仔细研究,发现规程没有要求对零点进行校正。如果被检流量计的工作零点大于或小于标准装置的工作零点(经测得装置的工作零点为4.001mA),使得标准装置与被检流量计不匹配,将会造成检定误差。
现对一台超差的被检流量计零点进行测量,其值为4.08mA,则由零点不匹配引起的误差为:
由零点所带来的满量程相对误差为:
由此可见,零点的不准确将带来很大的误差。
发现问题的根源后,我们对被检流量计进行了零点校正。如图3所示,接通电源,观察多功能信号发生器,在频率指示为零时察看电压表指示应为1.0000V(4mA、250Ω,则U=4mA×250Ω=1000mV=1V)。调节涡街流量计的调零电位器,使涡街流量计输出回到零点值,且与标准装置相等,以消除由于零点所造成的误差。调零点后如再不合格,即可断定是流量计本身性能的问题。
本文检定时使用的是标准表法气体流量标准装置,可分别检定频率输出的涡街流量计和模拟量4~20mA输出的流量计。虽然检定规程没有明确规定模拟输出的涡街流量计的零点调校问题,但在检定的时候,最好首先检定被检流量计的零点,这样有助于提高检定结果的准确性和可靠性。由于涡街流量计本身的特性,最好采用频率输出的流量计作为计算机的输入信号,这样更安全、可靠。
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