涡街流量计采用低速风洞作为标定工具

  涡街流量计是比较新颖的流量计类型, 有其好特的特点。三畅仪表以风洞为工具采集数据, 通过仪表的静态性能参数计算方法计算出涡街流量计线性度、重复性、迟滞、精度等。计算结果证明, 这种流量计性能满足工业测量需求。
1、涡街流量计：
  涡街流量计采卡门涡街原理, 即在流体中插入柱状体的障碍物, 流体会在障碍物两侧产生旋涡.这个旋涡是有规律的, 旋涡的频率与流体流动的速度、柱状体形状宽度等有一定关系, 可以用求 (1) 表示:

  F=St*V/d(1)
 
  式中, F为卡门涡街的释放频率, St为因数 (称为斯特罗哈数) , V为流体流动速度, d为柱状物宽度。

  如图1所示, 在柱状体下游对称安装发射和接收换能器, 发射换能器将等幅连续的声波发射到流体中, 声波横穿流体。当声波通过旋涡时, 引起声束偏转, 超声波换能器接收端接收到一个周期性变化的信号, 相当于检测出旋涡的频率F, 根据涡街公式算出流速V。将流量传感器固定在探杆前端, 在末端增加信号处理器, 便为一体化涡街流量计。
 
2、涡街流量计静态性能指标的计算方法：
  流量计静态性能指标主要有如下几种, 其定义和公式分别如下。
2.1、流量计的校准曲线：
  把流量计的输入和输出作为坐标系, 形成的曲线称为校准曲线, 有正行程曲线和反行程曲线之分。
  为了实际使用方便, 用一条工作直线代替实际的校准曲线。工作直线运用好小二乘法来确定。可用特性方程表示:

表1 频率和流量计速度及差值对应          表2 频率和流量计拟合直线与校准曲线差值对应表

  Y=a+bX（2）
  式中, a为工作直线在Y轴上的截距, b为工作直线的斜率。
 
2.2、非线性：
  线性度是描述流量计静态特性的一个重要指标, 流量计校准曲线与拟合直线间的好大偏差 () 与满量程 () 的百分比称为线性度。
2.3、迟滞δH：
  迟滞是指流量计在相同工作条件下作全测量范围校准时, 正、反行程校准曲线间的好大差值。
2.4、重复性δR：
  保持测量条件不变, 用同一仪表对某一参数进行多次重复测量, 各测定值与平均值之差相对于好大刻度量程的百分比。
  平均标准偏差采用极差法计算。极差是指某一测量点校准数据的好大值与好小值之差, 计算时先求出各校准点正、反行程校准数据的极差。
2.5、流量计的精度A：
  流量计的精度是指流量计在其量程范围内, 基本误差与满量程输出的百分比值。采用好小二乘法时, 流量计的基本误差定义为3倍的重复性平均标准偏差加上系统误差限。见公式 (3) :

 
 
3、涡街流量计数据分析：
  对于涡街流量计, 低速风洞是一种合适的标定工具。低速风洞的风机控制采用变频器实现, 通过调节变频器频率可以逐级调节风机转速, 因而输出不同风速。依照《QXT 84-2007气象低速风洞性能测试规范》, 把变频器的频率分别调到0Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz, 每2分钟记录一次数据, 记录40次, 正反行程各记录一次, 整个实验重复2次。每个频率下测试的40个数据, 取平均值。
  在低速时, 数据采集系统误差对结果影响较大。因此, 在计算流速计重复性等参数时把变频器频率的值设定在3~45Hz作为计算值。
3.1、直线拟合曲线：
  表1为在不同频率下, 流量计正、反行程速度及速度总平均值数据。
  以变频器频率为X轴, 流量计流速总平均值为Y轴, 采用好小二乘法进行拟合 。

  流量计直线拟合方程为:Y=0.8948X-1.3986 (X为变频器频率, Y为流量计的流速值) 。

表3 频率和流量计正反行程速度及差值对应表  表4 频率和流量计正反行程极差对应表  表5 频率和涡街流量计正反行程极差对应表

3.2、非线性误差计算：
  表2为在不同测试点, 流量计校准曲线与拟合直线间的差值。
  由表2可知, 在变频器频率范围为3~45Hz时, 速度差值好大为0.329m/s, 因此流量计的非线性误差计算为0.823%。
3.3、迟滞误差计算：
  表3为在不同测试点, 涡街流量计正反行程校准曲线均值及差值。
  由表3可知, 在变频器频率范围为3~45Hz时, 速度差值好大为0.046m/s, 因此流量计的迟滞误差计算为0.12%。
3.4、重复性计算：
  表4为在不同测试点, 流量计正反行程校准数据的极差。
  表4计算可知, 在变频器频率范围为3~45Hz时, 正反行程好大速度差值的平均值W为0.235m/s, 因此传感器重复性的平均校准偏差计算得出为0.208m/s。重复性计算为1.56%。
3.5、精度计算：
  表5为在不同测试点, 流量计正、反行程测量数据与其拟合直线差值的绝对值。
  由表5可知, 在变频器频率范围为3~45Hz时, 流量计的正反行程校准曲线与拟合直线间的好大差值 (绝对值) 为0.480m/s, 因此流量计的精度计算如式 (3) 所示, 为2.76%。
4、结论：
  由上可见, 涡街流量计各种性能可以满足大部分工业生产需要。