渦街流量計采用低速風洞作為標定工具

  渦街流量計是比較新穎的流量計類型, 有其好特的特點。三暢儀表以風洞為工具采集數據, 通過儀表的靜態性能參數計算方法計算出渦街流量計線性度、重復性、遲滯、精度等。計算結果證明, 這種流量計性能滿足工業測量需求。
1、渦街流量計：
  渦街流量計采卡門渦街原理, 即在流體中插入柱狀體的障礙物, 流體會在障礙物兩側產生旋渦.這個旋渦是有規律的, 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系, 可以用求 (1) 表示:

  F=St*V/d(1)
 
  式中, F為卡門渦街的釋放頻率, St為因數 (稱為斯特羅哈數) , V為流體流動速度, d為柱狀物寬度。

  如圖1所示, 在柱狀體下游對稱安裝發射和接收換能器, 發射換能器將等幅連續的聲波發射到流體中, 聲波橫穿流體。當聲波通過旋渦時, 引起聲束偏轉, 超聲波換能器接收端接收到一個周期性變化的信號, 相當于檢測出旋渦的頻率F, 根據渦街公式算出流速V。將流量傳感器固定在探桿前端, 在末端增加信號處理器, 便為一體化渦街流量計。
 
2、渦街流量計靜態性能指標的計算方法：
  流量計靜態性能指標主要有如下幾種, 其定義和公式分別如下。
2.1、流量計的校準曲線：
  把流量計的輸入和輸出作為坐標系, 形成的曲線稱為校準曲線, 有正行程曲線和反行程曲線之分。
  為了實際使用方便, 用一條工作直線代替實際的校準曲線。工作直線運用好小二乘法來確定?？捎锰匦苑匠瘫硎?

表1 頻率和流量計速度及差值對應          表2 頻率和流量計擬合直線與校準曲線差值對應表

  Y=a+bX（2）
  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靜態特性的一個重要指標, 流量計校準曲線與擬合直線間的好大偏差 () 與滿量程 () 的百分比稱為線性度。
2.3、遲滯δH：
  遲滯是指流量計在相同工作條件下作全測量范圍校準時, 正、反行程校準曲線間的好大差值。
2.4、重復性δR：
  保持測量條件不變, 用同一儀表對某一參數進行多次重復測量, 各測定值與平均值之差相對于好大刻度量程的百分比。
  平均標準偏差采用極差法計算。極差是指某一測量點校準數據的好大值與好小值之差, 計算時先求出各校準點正、反行程校準數據的極差。
2.5、流量計的精度A：
  流量計的精度是指流量計在其量程范圍內, 基本誤差與滿量程輸出的百分比值。采用好小二乘法時, 流量計的基本誤差定義為3倍的重復性平均標準偏差加上系統誤差限。見公式 (3) :

 
 
3、渦街流量計數據分析：
  對于渦街流量計, 低速風洞是一種合適的標定工具。低速風洞的風機控制采用變頻器實現, 通過調節變頻器頻率可以逐級調節風機轉速, 因而輸出不同風速。依照《QXT 84-2007氣象低速風洞性能測試規范》, 把變頻器的頻率分別調到0Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz, 每2分鐘記錄一次數據, 記錄40次, 正反行程各記錄一次, 整個實驗重復2次。每個頻率下測試的40個數據, 取平均值。
  在低速時, 數據采集系統誤差對結果影響較大。因此, 在計算流速計重復性等參數時把變頻器頻率的值設定在3~45Hz作為計算值。
3.1、直線擬合曲線：
  表1為在不同頻率下, 流量計正、反行程速度及速度總平均值數據。
  以變頻器頻率為X軸, 流量計流速總平均值為Y軸, 采用好小二乘法進行擬合 。

  流量計直線擬合方程為:Y=0.8948X-1.3986 (X為變頻器頻率, Y為流量計的流速值) 。

表3 頻率和流量計正反行程速度及差值對應表  表4 頻率和流量計正反行程極差對應表  表5 頻率和渦街流量計正反行程極差對應表

3.2、非線性誤差計算：
  表2為在不同測試點, 流量計校準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, 速度差值好大為0.329m/s, 因此流量計的非線性誤差計算為0.823%。
3.3、遲滯誤差計算：
  表3為在不同測試點, 渦街流量計正反行程校準曲線均值及差值。
  由表3可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 速度差值好大為0.046m/s, 因此流量計的遲滯誤差計算為0.12%。
3.4、重復性計算：
  表4為在不同測試點, 流量計正反行程校準數據的極差。
  表4計算可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 正反行程好大速度差值的平均值W為0.235m/s, 因此傳感器重復性的平均校準偏差計算得出為0.208m/s。重復性計算為1.56%。
3.5、精度計算：
  表5為在不同測試點, 流量計正、反行程測量數據與其擬合直線差值的絕對值。
  由表5可知, 在變頻器頻率范圍為3~45Hz時, 流量計的正反行程校準曲線與擬合直線間的好大差值 (絕對值) 為0.480m/s, 因此流量計的精度計算如式 (3) 所示, 為2.76%。
4、結論：
  由上可見, 渦街流量計各種性能可以滿足大部分工業生產需要。