關(guān)于兩線制渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案介紹(上)

         本文概述：
        新型兩線制渦街流量計(jì)（又稱渦街流量變送器）產(chǎn)品是根據(jù)卡曼渦街原理，采用磁敏式、壓電式檢測傳感器檢測漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的頻率信號，作為信號處理器的輸入，經(jīng)過信號的檢測、濾波、放大、限幅、頻電轉(zhuǎn)換等處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號。產(chǎn)品具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，流量測量壓損小、量程比寬、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用范圍廣、工作穩(wěn)定可靠、便于安裝調(diào)試等特點(diǎn)，能夠適用于石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的工業(yè)管道中氣體、蒸汽、液體多種介質(zhì)的流量精確測量，適用范圍廣。本文針對于兩線制渦街流量計(jì)的測量原理、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)完善方法。渦街流量計(jì)由漩渦發(fā)生體、檢測傳感器和信號處理器組成，集成了頻率信號產(chǎn)生、信號濾波和處理，產(chǎn)品經(jīng)過不斷地改進(jìn)完善，通過出廠試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用證明渦街流量計(jì)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已得到**應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1 渦街流量計(jì)的測量原理
　　渦街流量計(jì)的檢測傳感器是根據(jù)卡曼渦街原理設(shè)計(jì)的，渦街流量計(jì)儀表表體直徑與儀表的公稱口徑基本相同，一般通過卡裝或法蘭連接。表體內(nèi)安裝了一個(gè)近似為等腰三角形的柱體（以下簡稱三角柱）。三角柱垂直安裝在表體中，底面迎向流體。當(dāng)管道中被測介質(zhì)流過三角柱時(shí)，在三角柱兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，旋渦不斷產(chǎn)生和分離，在三角柱下游便形成了交錯(cuò)排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝在流體管道中的三角柱即漩渦發(fā)生體，產(chǎn)生的這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。



　　設(shè)三角柱迎流面寬度為d，表體內(nèi)徑為D，被測介質(zhì)在管道中的平均流速為V，旋渦的發(fā)生頻率為f，根據(jù)卡曼渦街原理，卡曼渦街的頻率有如下關(guān)系：
　　式中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面寬度。
　　公式（1）中的斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)（Re）有關(guān)，如圖2所示。



　　在Re=2×104～7×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，雷諾數(shù)在這段范圍內(nèi)是渦街流量渦街流量計(jì)線性測量范圍。由公式（1）可見，旋渦的分離頻率與流體流速成正比，通過檢測旋渦的分離頻率，可以測出流體速度，進(jìn)而測量出流體的瞬時(shí)體積流量。
　　旋渦交錯(cuò)分離，在三角柱兩側(cè)及后面的尾流中產(chǎn)生脈動(dòng)的壓力，設(shè)在三角柱內(nèi)部（或后面）的檢測傳感器受到這種微小的脈動(dòng)壓力的作用，使安裝在傳感器內(nèi)的壓電陶瓷元件受到交變應(yīng)力而產(chǎn)生交變電荷信號。該信號經(jīng)放大器上的電荷放大、濾波限幅和觸發(fā)整形處理后，輸出頻率與旋渦分離頻率相同的方波電壓脈沖信號。傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測流體。一段時(shí)間內(nèi)的輸出總脈沖數(shù)，將代表這段時(shí)間內(nèi)流過傳感器的流體總體積。
　　式中：K—儀表系數(shù)（單位體積的脈沖數(shù)）；n—脈沖數(shù)；Qv—流體體積（m3）。
　　渦街流量計(jì)傳感器輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)K在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。

　　2 渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)
　　渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：表體部分和信號處理器。
　　表體部分根據(jù)測量管徑可以設(shè)計(jì)為圓環(huán)式或插入式。表體與測量管道的連接方式分為法蘭卡裝式、法蘭連接式和插入式。頻率檢測傳感器根據(jù)測量介質(zhì)和測量環(huán)境不同可以選擇磁敏式、壓電式。
　　磁敏式傳感器應(yīng)用電磁感應(yīng)原理測量，是傳感器產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，磁敏傳感器應(yīng)用的大優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無接觸測量；檢測頻率過高時(shí)，磁敏式傳感器運(yùn)動(dòng)部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用于檢測管道內(nèi)流速較低，產(chǎn)生的漩渦頻率較低的場合。
　　壓電式傳感器利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行檢測。某些電介質(zhì)（如石英晶體、壓電陶瓷），當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。兩線制渦街流量渦街流量計(jì)采用的壓電傳感器主要檢測元件是壓電陶瓷。
壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高，適用于流速高、頻率較高的測量場合。
為保證流體經(jīng)過三角柱時(shí)的流速比較平穩(wěn)，能后產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦頻率，渦街流量計(jì)表體安裝應(yīng)與液體流動(dòng)方向垂直，三角柱的上游和下游應(yīng)保證一定長度的直管段，其長度應(yīng)符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安裝液體傳感器的附近管道內(nèi)應(yīng)充滿被測液體，如果達(dá)不到滿管要求，應(yīng)進(jìn)行變徑處理。根據(jù)傳感器的測量原理，傳感器應(yīng)避免安裝在有強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)的管道上。傳感器應(yīng)避免安裝在有較強(qiáng)電磁場干擾、空間小和維修不方便的場合。
　　信號處理器對渦街流量傳感器產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)過濾波、放大、頻電轉(zhuǎn)換等幾個(gè)環(huán)節(jié)處理，終將頻率信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號輸出。信號處理器框圖如圖3所示。



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上一條：采用渦輪流量計(jì)來測定主排水泵流量方案簡述
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