瓦斯抽放管路流量测量的涡街流量计设计

于洪仕

(辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院,辽宁 葫芦岛 125105)

瓦斯抽放管路流量测量的涡街流量计设计

于洪仕

(辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院,辽宁 葫芦岛 125105)

涡街流量计的仪表系数只能在较窄的范围内保持恒定,从而制约了其测量范围。利用仪表系数非线性修正的方法对其进行改进。实验证明,改进后的涡街流量计,量程范围为 6.05～497.79 L/h,线性度为 1.111%,在保证精度的前提下可以有效的扩展量程范围,适合在煤矿瓦斯抽放管路中使用。

涡街流量计;瓦斯抽放;仪表系数;非线性修正

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

治理煤矿瓦斯最直接有效的措施是对井下的瓦斯进行抽放。目前,我国煤矿瓦斯抽放管路流量的测定方法主要有孔板流量测定、均速管测定、皮托管流量测定等[1]。由于采用的原理是节流原理,人为减少抽放管道的直径,影响抽放效果。涡街流量计因其介质适应性强、无可动部件、结构简单、可靠性高、压力损失小等诸多优点,应用广泛。该流量计在正常范围内,其仪表系数基本为一常数,但在测量小流量时表现出明显的非线性,制约了涡街流量计测量范围和测量精度[2]。研究发现,涡街流量计的频率输出信号在较宽的量程范围内都能获得良好的重复性。普通模拟涡街流量计确保仪表系数线性度在 1%以内的量程比只能达到 10∶1,远低于理论量程比 100∶1。为此,笔者设计一种新型的涡街流量计,以使其在保证精度和线性度的前提下具有较宽的量程,特别是降低测量下限。

1 涡街流量计的测量原理

涡街流量计测量的理论基础是流体力学中著名的“卡曼涡街”原理。在流体中放置一根轴线与流向垂直的非流线型柱形体,称之为旋涡发生体。当流体沿旋涡发生体绕流时,会在旋涡发生体下游产生两列不对称但有规律的交替旋涡列,这就是所谓的卡曼涡街。大量实验证明:在一定雷诺数范围内,稳定的旋涡发生频率 f与流经旋涡发生体两侧的平均流速 v1之间的关系可表示为:

式中:St——斯特劳哈尔数,对一定形状的旋涡发生体在一定雷诺数范围内其量纲为 1;

b——旋涡发生体迎流面的宽度,m;

v——管道内的平均流速,m/s;

A——旋涡发生体两侧弓形流通面积之和与管道的横截面积之比;

D——管道内径,m。

交替地作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率,通过压电探头对升力变化频率的检测,即可得到 f,再由式 (1)可得体积流量为:

式中:qV——体积流量,m3/s;

K——涡街流量计的仪表系数,m-3。

由式 (2)可见,涡街流量计测量流体的体积流量,主要是通过测量涡街频率 f来实现的,而涡街频率 f只与流速υ和发生体的几何参数 (形状和几何尺寸)有关,而与被测流体的特性和组分无关[3]。由式 (3)可知,仪表系数 K应为常数,但实际情况并非如此,在小流量时,仪表系数 K是非线性的。

2 系统硬件与仪表系数非线性修正方法

2.1 系统硬件

系统的整体硬件结构见图 1。整体硬件结构可以分为以下几个部分:检测复合信号和振动信号的“三线共地型”压电探头传感器以及后续处理电路;为系统各模块提供电源的电源电路;压力传感器的温度、压力检测电路及后续调理电路;上、下位机通讯的 SCI通讯模块电路;各种现场实时参数显示的液晶显示电路;各种掉电数据保存的铁电存储FRAM电路;掉电时间计算的 DS1302时间电路;现场用户翻页选择的按键输入电路以及脉冲输出电路;采用MSP430单片机的微处理器[4]。

图 1 系统整体硬件框图Fig.1 Hardware block diagram of whole system

2.2 非线性仪表系数修正

随着工业技术的发展和进步,对宽量程、高精度涡街流量计的需求日渐迫切,各种仪表系数非线性修正方法和应用相继出现。最早出现的是采用硬件电路进行修正。该方法稳定可靠,但只适用于单调上升 (或下降)的曲线形状[5]。由于电子技术特别是单片机技术的迅猛发展,这一问题得到了更好的解决。由实际标定的结果可以回归为仪表系数与频率函数关系式,并将表达式存入单片机系统的程序存储器中。测量传感器信号频率,根据函数表达式计算出此时的仪表系数,从而实现仪表非线性修正。相关公式如下:

式中:Kij——第 i个检测点第 j次检测的仪表系数。修正方法的实现过程:

(1)通过水流量标准装置测量 K-Qv曲线中的特征点。每个流量点测量三次,相同时间 t内每次脉冲为 N1、N2和 N3,计算频率后,采用三次样条[6]拟合,绘制 K-Qv特征曲线。理论上测量点越多越准确。频率计算式为 f=(N1+N2+N3)/3t。

(2)计算涡街流量计特征曲线的平均值 K,按精度要求计算 Kmin和 Kmax。对于气体涡街流量计,线性误差 El=0.015。所以,Kmin=K-KEl/2,Kmax=K+KEl/2。

(3)计算需要修正的频率段。在待修正频率段内选择步长 l=0.015 Hz,每隔 l计算 K,每一个 fi对应一个 Ki。由 fi/Ki=fimin/Kmin=fimax/Kmax=qVi计算每个 fi将被修正成的 fimax和 fimin。

(4)将有交集的 fimax-fimin合并,即将相邻 fi都修正为同一个 fj。fj只要在 fimax和 fimin之间就能够满足线性度要求,从而完成优化。

3 实验结果

为验证改进后的涡街流量计工作效果,将DN100口径的涡街流量计用于标准水装置上进行实流实验。表 1为改进前的实验数据,该涡街流量计量程范围在 34.9～497.7 L/h,其线性度为 El=1.121%。流量在 5.6～34.9 L/h是非线性的,但具有较好的重复性,需要进行非线性修正。

表 1 DN100涡街流量计修正前实验数据Table 1 DN100 vertex flowmeter’s exper imental data without nonlinear modification

根据文中提出的修正方法,得到图 2的拟合曲线和改进后的实验数据表 2。

由表 2可见,修正后的量程范围 Q为 6.05～497.79 L/h,线性度为 El=1.111%,满足气体涡街流量计的要求,且量程范围扩大。

图 2 涡街流量计仪表系数 K与流量的关系曲线Fig.2 Relationship ofK-factor and flow quantity

表 2 DN100涡街流量计修正后实验数据Table 2 DN100 vertex flowmeter’s exper imental data with nonl inear modification

4 结束语

笔者设计了一种基于单片机MSP430的涡街流量计,利用仪表系数非线性修正法对其进行修正,扩大了其测量的量程范围。该方法实现简单,功耗低,效果明显,适合在煤矿瓦斯抽放管路中应用且可以推广到其他行业领域。

[1] 何明刚,杨晓丹,张军杰,等.涡街气体流量计在瓦斯抽放管路流量测定中的应用浅析[J].煤矿安全,2008(1):37-39.

[2] 苏彦勋,梁伟国,盛 健.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社,2007.

[3] 姜仲霞,姜川涛,刘桂芳.涡街流量计[M].北京:中国石化出版社,2006.

[4] 谢 敏.基于MSP430的低功耗仪表系统设计[J].微计算机信息,2007,23(22):142-144.

[5] 唐怀璞,刘蕴华.流量仪表中仪表系数的非线性修正[J].自动化仪表,2000(11):5-6.

[6] 徐士良.数值分析与算法[M].北京:机械工业出版社,2003.

(编辑 晁晓筠)

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

中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目(MTKJ2010-329)

于洪仕 (1980-),男,辽宁省庄河人,助教,硕士,研究方向:工业过程自动控制与检测,E-mail:yuhongke-2004@163.com。