插入式超聲波渦街流量計(jì) 原理靜態(tài)性能詳解
一體化插入式超聲波渦街流量計(jì)是比較新穎的流量計(jì)類型, 有其獨(dú)特的特點(diǎn)。文章以風(fēng)洞為工具采集數(shù)據(jù), 通過儀表的靜態(tài)性能參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算出插入式超聲波渦街流量計(jì)線性度、重復(fù)性、遲滯、精度等。計(jì)算結(jié)果證明, 這種流量計(jì)性能滿足工業(yè)測量需求。
1、一體化插入式超聲波渦街流量計(jì)：
超聲波渦街流量計(jì)采用卡門渦街原理, 即在流體中插入柱狀體的障礙物, 流體會在障礙物兩側(cè)產(chǎn)生旋渦.這個旋渦是有規(guī)律的, 旋渦的頻率與流體流動的速度、柱狀體形狀寬度等有一定關(guān)系, 可以用求 (1) 表示:
式中, F為卡門渦街的釋放頻率, St為因數(shù) (稱為斯特羅哈數(shù)) , V為流體流動速度, d為柱狀物寬度。
圖1 插入式超聲波傳感器原理圖
如圖1所示, 在柱狀體下游對稱安裝超聲波發(fā)射和接收換能器, 發(fā)射換能器將等幅連續(xù)的聲波發(fā)射到流體中, 聲波橫穿流體。當(dāng)聲波通過旋渦時, 引起聲束偏轉(zhuǎn), 超聲波換能器接收端接收到一個周期性變化的信號, 相當(dāng)于檢測出旋渦的頻率F, 根據(jù)渦街公式算出流速V。將流量傳感器固定在探桿前端, 在末端增加信號處理器, 便為一體化插入式超聲波渦街流量計(jì), 見圖2和圖3。
圖2 超聲波渦街流量傳感器
圖3 一體超聲波渦街流量計(jì)外觀實(shí)物圖
2、插入式超聲波渦街流量計(jì)靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法：
流量計(jì)靜態(tài)性能指標(biāo)主要有如下幾種, 其定義和公式分別如下。
2.1、流量計(jì)的校準(zhǔn)曲線：
把流量計(jì)的輸入和輸出作為坐標(biāo)系, 形成的曲線稱為校準(zhǔn)曲線, 有正行程曲線和反行程曲線之分。
為了實(shí)際使用方便, 用一條工作直線代替實(shí)際的校準(zhǔn)曲線。工作直線運(yùn)用***小二乘法來確定?？捎锰匦苑匠瘫硎?
表1 頻率和流量計(jì)速度及差值對應(yīng) 表2 頻率和流量計(jì)擬合直線與校準(zhǔn)曲線差值對應(yīng)表
式中, a為工作直線在Y軸上的截距, b為工作直線的斜率。
2.2、非線性：
線性度是描述流量計(jì)靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo), 流量計(jì)校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的***大偏差 () 與滿量程 () 的百分比稱為線性度。
2.3、遲滯δH：
遲滯是指流量計(jì)在相同工作條件下作全測量范圍校準(zhǔn)時, 正、反行程校準(zhǔn)曲線間的***大差值。
2.4、重復(fù)性δR：
保持測量條件不變, 用同一儀表對某一參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測量, 各測定值與平均值之差相對于***大刻度量程的百分比。
平均標(biāo)準(zhǔn)偏差采用極差法計(jì)算。極差是指某一測量點(diǎn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的***大值與***小值之差, 計(jì)算時先求出各校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的極差。
2.5、流量計(jì)的精度A：
流量計(jì)的精度是指流量計(jì)在其量程范圍內(nèi), 基本誤差與滿量程輸出的百分比值。采用***小二乘法時, 流量計(jì)的基本誤差定義為3倍的重復(fù)性平均標(biāo)準(zhǔn)偏差加上系統(tǒng)誤差限。見公式 (3) :
3、插入式超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)分析：
對于插入式流量計(jì), 低速風(fēng)洞是一種合適的標(biāo)定工具。低速風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)控制采用變頻器實(shí)現(xiàn), 通過調(diào)節(jié)變頻器頻率可以逐級調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 因而輸出不同風(fēng)速。依照《QXT 84-2007氣象低速風(fēng)洞性能測試規(guī)范》, 把變頻器的頻率分別調(diào)到0Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz, 每2分鐘記錄一次數(shù)據(jù), 記錄40次, 正反行程各記錄一次, 整個實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次。每個頻率下測試的40個數(shù)據(jù), 取平均值。
在低速時, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差對結(jié)果影響較大。因此, 在計(jì)算流速計(jì)重復(fù)性等參數(shù)時把變頻器頻率的值設(shè)定在3~45Hz作為計(jì)算值。
3.1、直線擬合曲線：
表1為在不同頻率下, 流量計(jì)正、反行程速度及速度總平均值數(shù)據(jù)。
以變頻器頻率為X軸, 流量計(jì)流速總平均值為Y軸, 采用***小二乘法進(jìn)行擬合 (見圖4) 。
圖4 變頻器頻率與流量計(jì)流速關(guān)系
由圖4可知, 流量計(jì)直線擬合方程為:Y=0.8948X-1.3986 (X為變頻器頻率, Y為流量計(jì)的流速值) 。
表3 頻率和流量計(jì)正反行程速度及差值對應(yīng)表
表4 頻率和流量計(jì)正反行程極差對應(yīng)表
表5 頻率和一體式超聲波渦街流量計(jì)正反行程極差對應(yīng)表
3.2、非線性誤差計(jì)算：
表2為在不同測試點(diǎn), 流量計(jì)校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的差值。
由表2可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 速度差值***大為0.329m/s, 因此流量計(jì)的非線性誤差計(jì)算為0.823%。
3.3、遲滯誤差計(jì)算：
表3為在不同測試點(diǎn), 一體式超聲波渦街流量計(jì)正反行程校準(zhǔn)曲線均值及差值。
由表3可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 速度差值***大為0.046m/s, 因此流量計(jì)的遲滯誤差計(jì)算為0.12%。
3.4、重復(fù)性計(jì)算：
表4為在不同測試點(diǎn), 流量計(jì)正反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的極差。
表4計(jì)算可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 正反行程***大速度差值的平均值W為0.235m/s, 因此傳感器重復(fù)性的平均校準(zhǔn)偏差計(jì)算得出為0.208m/s。重復(fù)性計(jì)算為1.56%。
3.5、精度計(jì)算：
表5為在不同測試點(diǎn), 流量計(jì)正、反行程測量數(shù)據(jù)與其擬合直線差值的值。
由表5可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 流量計(jì)的正反行程校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的***大差值 (值) 為0.480m/s, 因此流量計(jì)的精度計(jì)算如式 (3) 所示, 為2.76%。
4、結(jié)論：
經(jīng)過計(jì)算, 得出一體化超聲波渦街流量計(jì)的靜態(tài)性能參數(shù)見表6。
表6 一體化超聲波渦街流量計(jì)靜態(tài)參數(shù)匯總表
可見, 一體式插入超聲波渦街流量計(jì)各種性能可以滿足大部分工業(yè)生產(chǎn)需要。