于洪仕

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

瓦斯抽放管路流量測(cè)量的渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)

于洪仕

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

渦街流量計(jì)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(cè)量范圍。利用儀表系數(shù)非線性修正的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后的渦街流量計(jì),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(kuò)展量程范圍,適合在煤礦瓦斯抽放管路中使用。

渦街流量計(jì);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(duì)井下的瓦斯進(jìn)行抽放。目前,我國(guó)煤礦瓦斯抽放管路流量的測(cè)定方法主要有孔板流量測(cè)定、均速管測(cè)定、皮托管流量測(cè)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(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)可動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壓力損失小等諸多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用廣泛。該流量計(jì)在正常范圍內(nèi),其儀表系數(shù)基本為一常數(shù),但在測(cè)量小流量時(shí)表現(xiàn)出明顯的非線性,制約了渦街流量計(jì)測(cè)量范圍和測(cè)量精度[2]。研究發(fā)現(xiàn),渦街流量計(jì)的頻率輸出信號(hào)在較寬的量程范圍內(nèi)都能獲得良好的重復(fù)性。普通模擬渦街流量計(jì)確保儀表系數(shù)線性度在 1%以內(nèi)的量程比只能達(dá)到 10∶1,遠(yuǎn)低于理論量程比 100∶1。為此,筆者設(shè)計(jì)一種新型的渦街流量計(jì),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(cè)量下限。

1 渦街流量計(jì)的測(cè)量原理

渦街流量計(jì)測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)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(dāng)流體沿旋渦發(fā)生體繞流時(shí),會(huì)在旋渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)壓電探頭對(duì)升力變化頻率的檢測(cè),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(jì)的儀表系數(shù),m-3。

由式 (2)可見(jiàn),渦街流量計(jì)測(cè)量流體的體積流量,主要是通過(guò)測(cè)量渦街頻率 f來(lái)實(shí)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(cè)流體的特性和組分無(wú)關(guān)[3]。由式 (3)可知,儀表系數(shù) K應(yīng)為常數(shù),但實(shí)際情況并非如此,在小流量時(shí),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(jiàn)圖 1。整體硬件結(jié)構(gòu)可以分為以下幾個(gè)部分:檢測(cè)復(fù)合信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)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(cè)電路及后續(xù)調(diào)理電路;上、下位機(jī)通訊的 SCI通訊模塊電路;各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(chǔ)FRAM電路;掉電時(shí)間計(jì)算的 DS1302時(shí)間電路;現(xiàn)場(chǎng)用戶翻頁(yè)選擇的按鍵輸入電路以及脈沖輸出電路;采用MSP430單片機(jī)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(jìn)步,對(duì)寬量程、高精度渦街流量計(jì)的需求日漸迫切,各種儀表系數(shù)非線性修正方法和應(yīng)用相繼出現(xiàn)。最早出現(xiàn)的是采用硬件電路進(jìn)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(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,這一問(wèn)題得到了更好的解決。由實(shí)際標(biāo)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(dá)式存入單片機(jī)系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中。測(cè)量傳感器信號(hào)頻率,根據(jù)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算出此時(shí)的儀表系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)儀表非線性修正。相關(guān)公式如下:

式中:Kij——第 i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)第 j次檢測(cè)的儀表系數(shù)。修正方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:

(1)通過(guò)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量 K-Qv曲線中的特征點(diǎn)。每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量三次,相同時(shí)間 t內(nèi)每次脈沖為 N1、N2和 N3,計(jì)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(cè)量點(diǎn)越多越準(zhǔn)確。頻率計(jì)算式為 f=(N1+N2+N3)/3t。

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

(3)計(jì)算需要修正的頻率段。在待修正頻率段內(nèi)選擇步長(zhǎng) l=0.015 Hz,每隔 l計(jì)算 K,每一個(gè) fi對(duì)應(yīng)一個(gè) Ki。由 fi/Ki=fimin/Kmin=fimax/Kmax=qVi計(jì)算每個(gè) 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(gè) 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(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證改進(jìn)后的渦街流量計(jì)工作效果,將DN100口徑的渦街流量計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)水裝置上進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)。表 1為改進(jìn)前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),該渦街流量計(jì)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(fù)性,需要進(jìn)行非線性修正。

表 1 DN100渦街流量計(jì)修正前實(shí)驗(yàn)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(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 2。

由表 2可見(jiàn),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(jì)的要求,且量程范圍擴(kuò)大。

圖 2 渦街流量計(jì)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(jì)修正后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 DN100 vertex flowmeter’s exper imental data with nonl inear modification

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)MSP430的渦街流量計(jì),利用儀表系數(shù)非線性修正法對(duì)其進(jìn)行修正,擴(kuò)大了其測(cè)量的量程范圍。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,功耗低,效果明顯,適合在煤礦瓦斯抽放管路中應(yīng)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(jì)在瓦斯抽放管路流量測(cè)定中的應(yīng)用淺析[J].煤礦安全,2008(1):37-39.

[2] 蘇彥勛,梁偉國(guó),盛 健.流量計(jì)量與測(cè)試[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2007.

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

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

[5] 唐懷璞,劉蘊(yùn)華.流量?jī)x表中儀表系數(shù)的非線性修正[J].自動(dòng)化儀表,2000(11):5-6.

[6] 徐士良.數(shù)值分析與算法[M].北京:機(jī)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(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)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(guò)程自動(dòng)控制與檢測(cè),E-mail:yuhongke-2004@163.com。