CN105043511A - 基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法，其特征是设定当前对于涡街流量计进行校验使用的介质为空气，实测介质为液体，在完成以空气介质的校验后得到多组涡街频率值与仪表系数，以及对应的空气运动粘度和空气体积流量，利用被测液体的温度和压力获知液体的运动粘度，利用雷诺数计算公式得到在相同雷诺数条件下的液体体积流量，根据雷诺数相似原则，被测介质为液体时在相同雷诺数条件下的仪表系数保持不变，由液体体积流量和仪表系数得到对应的液体涡街频率，最终根据液体涡街频率与仪表系数进行系数线性修正。本发明使涡街流量计在完成校验后可以适应多种介质类型测量，并且在宽量程比的应用情况下，依然可以保证一级测量精度。

Description

基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，具体涉及涡街流量计的系数修正方法。

背景技术

涡街流量计是基于卡门涡街原理的一种流量仪表。若管道中放置一个非流线型阻流体，随着流体绕过阻流体流动，产生附面层分离现象，形成有规则的旋涡列，该旋涡的频率在一定的雷诺数范围内同流体的流速成正比。常见的涡街流量计只有在量程比为1:10的情况下才能保证仪表系数非线性误差在±1％以内。而当雷诺数较低时仪表系数会产生较大的偏差，为了拓宽仪表的量程比以适用更多的应用现场，需要对仪表系数进行修正。

公告号为CN101769773B的中国发明专利公开了一种简单实用的涡街流量计仪表系数线性化校正技术，即采用分段校正脉冲生成方法，通过初始标定分段获得仪表系数，根据每段仪表系数计算流量；再用流量和平均仪表系数反推频率，用脉冲发生器输出计算频率。该方法存在的一个问题是当实际频率位于两段直线的分界点附近，反推的频率可能产生较大的跳变，最终影响仪表的重复性。公告号为CN101413814B的中国发明专利文献中公开的技术方案是利用计算机的快速处理能力，使用三次样条插值法对校验数据进行逼近，得到流量点与涡街频率的对应关系，然后生成反映修正前后涡街频率的对应关系的查找表。该方案中使用CPLD作为处理器，具有可靠和稳定的优点，但每次修正均需要第三方软件生成查找表，会带来额外的生产成本。

从现有的公开技术来看，涡街流量计非线性修正方法均是针对单一，即同类介质的。实际可能存在的情况是实测介质是液体，但厂家只能提供空气标定。甚至出现仪表会被应用于不同的现场，测量介质由气体变为液体或者由液体变为气体。在宽量程比的应用要求下，虽然可以通过非线性修正方法对系数进行修正，但介质类型发生变化时会出现涡街频率的数量级变化，频率的大幅度变化导致校验时的系数修正不再适用，最终表现出较大的测量误差。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法，以使涡街流量计在完成校验后可以适应多种介质类型测量，并且在宽量程比的应用情况下，依然可以保证一级测量精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法的特点是按如下步骤进行：

设定当前对于涡街流量计进行校验所使用的校验用被测介质为空气，实际测量的被测介质为液体；

在完成以空气为被测介质的校验后获得多组涡街频率值与仪表系数的对应关系其中，第i组涡街频率值f_i与仪表系数k_i表征为(f_i,k_i)，对应的空气运动粘度为v_i，空气体积流量为q_vi；

对于被测介质为液体的实际测量，利用被测液体的温度和压力获得被测液体的运动粘度v_i'；

工程计算中的雷诺数Re为：

其中，q_v为流体的体积流量，单位为m³/h；D为管道的特征尺寸，单位为mm，ν是工作状态下流体的运动粘度，单位为m²/s；

根据雷诺数相等的原则，则有：

则有，相同雷诺数下的液体体积流量q_vi'为：

根据雷诺数相似原则，即当流体的雷诺数相等时流体的流速分布相似，即认为此时的仪表系数近似相同，在被测介质为液体时，雷诺数为Rei时，仪表系数仍然为k_i；

因有：

由(1)和式(2)获得式(3)：

以此获得(f₀',k₀)，(f₁',k₁)，…(f_n',k_n)，其中f_i'为第i组液体的涡街频率值，k_i为对应的第i组仪表系数；

根据(f₀',k₀)，(f₁',k₁)，…，(f_n',k_n)进行非线性修正，所述的非线性修正方法是在分段校验的基础上，在频率分界点f_i'的小范围邻域内采用线性插值。

本发明基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法的特点也在于：所述线性插值的方法是：在f_i'的10％范围内进行线性插值，也就是在[0.9f_i',1.1f_i']范围内，其中0≤i≤n-1，为了防止线性插值时发生线段重叠导致计算误差，相邻拐点需要满足不等式0.9f_i+1'>1.1f_i'，即为f_i+1'>1.2f_i'。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法使得涡街流量计在完成校验后，即使应用现场介质类型发生改变的情况下，依然可以在宽量程比测量范围内保证一级测量精度。

2、本发明针对涡街流量计分段校验脉冲方法存在的问题，给出在临界点，即拐点的邻域范围内使用线性插值，可以避免当涡街频率出现在拐点附近时，仪表系数阶跃性跳变问题，提高测量的重复性。

附图说明

图1为本发明采用的非线性修正方法示意图；

图2为未经修正的仪表系数与雷诺数关系图；

图3是介质类型发生变化时采用本发明方法修正的仪表系数与雷诺数关系图；

具体实施方式

本实施例中基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法是按如下步骤进行：

设定当前对于涡街流量计进行校验所使用的校验用被测介质为空气，实际测量的被测介质为液体。

在完成以空气为被测介质的校验后获得多组涡街频率值与仪表系数的对应关系其中，第i组涡街频率值f_i与仪表系数k_i表征为(f_i,k_i)，对应的空气运动粘度为v_i，空气体积流量为q_vi。

对于被测介质为液体的实际测量，利用被测液体的温度和压力获得被测液体的运动粘度v_i'。

工程计算中的雷诺数Re为：

其中，q_v为流体的体积流量，单位为m³/h；D为管道的特征尺寸，单位为mm，ν是工作状态下流体的运动粘度，单位为m²/s。

根据雷诺数相等的原则，则有：

则有，相同雷诺数下的液体体积流量q_vi'为：

根据雷诺数相似原则，即当流体的雷诺数相等时流体的流速分布相似，即认为此时的仪表系数近似相同，在被测介质为液体时，雷诺数为Rei时，仪表系数仍然为k_i。

因有：

由(1)和式(2)获得式(3)：

以此获得(f₁',k₁)，(f₂',k₂)，…(f_n',k_n)，其中f_i'为第i组液体的涡街频率值，k_i为对应的第i组仪表系数；

根据(f₁',k₁)，(f₂',k₂)，…，(f_n',k_n)进行非线性修正，所述的非线性修正方法是在分段校验的基础上，在频率分界点f_i'的小范围邻域内采用线性插值；线性插值的方法是：在f_i'的10％范围内进行线性插值，也就是在[0.9f_i',1.1f_i']范围内，其中0≤i≤n-1，为了防止线性插值时发生线段重叠导致计算误差，相邻拐点需要满足不等式0.9f_i+1'>1.1f_i'，即为f_i+1'>1.2f_i'。

图1所示本实施例中采用非线性修正方法示意图。设定通过校验并根据本发明提出的雷诺数修正方法映射得到五组涡街频率值与仪表系数(f₀',k₀)、(f₁',k₁)、(f₂',k₂)、(f₃',k₃)、(f₄',k₄)；本实施例通过在各个拐点的邻域范围内进行线性插值，当涡街频率出现在拐点附近时，仪表系数不再出现阶跃性变化。具体的线性插值方法是在f_i'的10％范围内进行线性插值，也就是在[0.9f'_i,1.1f_i']范围内，其中0≤i≤3。为了防止线性插值时发生线段重叠导致计算误差，相邻拐点需要满足不等式0.9f_i+1'>1.1f_i'，即为f_i+1'>1.2f_i'。

图2是在1:25的宽量程比下的未经修正的仪表系数与雷诺数关系，在整个量程范围内，由线性度计算公式仪表的非线性误差已经达到2％。这是因为当雷诺数较低时仪表系数会产生较大的偏差，而当雷诺数超过1：10的量程比时，涡街本体的制造工艺也无法保证一级精度。虽然此时可以对系数进行非线性修正，但介质类型发生变化时会出现涡街频率的数量级变化，频率的大幅度变化导致校验时的系数修正不再适用，最终依然表现出较大的测量误差。

图3所示为当介质类型发生改变后，采用本发明提供的系数修正方法得到的仪表系数与雷诺数关系。由图3可知在宽量程比条件下，经过修正的非线性误差依然保持在1％以内。

Claims (2)

1.基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法，其特征是按如下步骤进行：

设定当前对于涡街流量计进行校验所使用的校验用被测介质为空气，实际测量的被测介质为液体；

在完成以空气为被测介质的校验后获得多组涡街频率值与仪表系数的对应关系其中，第i组涡街频率值f_i与仪表系数k_i表征为(f_i,k_i)，对应的空气运动粘度为v_i，空气体积流量为q_vi；

对于被测介质为液体的实际测量，利用被测液体的温度和压力获得被测液体的运动粘度v_i'；

工程计算中的雷诺数Re为：

其中，q_v为流体的体积流量，单位为m³/h；D为管道的特征尺寸，单位为mm，ν是工作状态下流体的运动粘度，单位为m²/s；

根据雷诺数相等的原则，则有：

则有，相同雷诺数下的液体体积流量q_vi'为：

根据雷诺数相似原则，即当流体的雷诺数相等时流体的流速分布相似，即认为此时的仪表系数近似相同，在被测介质为液体时，雷诺数为Rei时，仪表系数仍然为k_i；

因有： ${q_{vi}}^{\′}=\frac{3.6\×{f_i}^{\′}}{k_i}---\left(2\right)$

由(1)和式(2)获得式(3)：

${f_i}^{\′}=\frac{k_i{v_i}^{\′}}{3.6v_i}{q}_{vi}---\left(3\right)$

以此获得(f₀',k₀)，(f₁',k₁)，…(f_n',k_n)，其中f_i'为第i组液体的涡街频率值，k_i为对应的第i组仪表系数；

根据(f₀',k₀)，(f₁',k₁)，…，(f_n',k_n)进行非线性修正，所述的非线性修正方法是在分段校验的基础上，在频率分界点f_i'的小范围邻域内采用线性插值。

2.根据权利要求1所述的基于雷诺数的涡街流量计系数修正方法，其特征是：所述线性插值的方法是：在f_i'的10％范围内进行线性插值，也就是在[0.9f_i',1.1f_i']范围内，其中0≤i≤n-1，为了防止线性插值时发生线段重叠导致计算误差，相邻拐点需要满足不等式0.9f_i+1'>1.1f_i'，即为f_i+1'>1.2f_i'。