插入式超声波涡街流量计 原理静态性能详解
一体化插入式超声波涡街流量计是比较新颖的流量计类型, 有其独特的特点。文章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插入式超声波涡街流量计线性度、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、一体化插入式超声波涡街流量计：
超声波涡街流量计采用卡门涡街原理, 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:
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。
图1 插入式超声波传感器原理图
如图1所示, 在柱状体下游对称安装超声波发射和接收换能器, 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, 便为一体化插入式超声波涡街流量计, 见图2和图3。
图2 超声波涡街流量传感器
图3 一体超声波涡街流量计外观实物图
2、插入式超声波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***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
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***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***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***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***大值与***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***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、插入式超声波流量计数据分析：
对于插入式流量计, 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***小二乘法进行拟合 (见图4) 。
图4 变频器频率与流量计流速关系
由图4可知, 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 频率和一体式超声波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***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, 一体式超声波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***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***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***大差值 (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：
经过计算, 得出一体化超声波涡街流量计的静态性能参数见表6。
表6 一体化超声波涡街流量计静态参数汇总表
可见, 一体式插入超声波涡街流量计各种性能可以满足大部分工业生产需要。