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關(guān)于兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案介紹(上)
發(fā)表時(shí)間:2017-03-29 ??點(diǎn)擊次數(shù):1123? 技術(shù)支持:1560-1403-222
本文概述:
新型兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)(又稱(chēng)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(cè)傳感器檢測(cè)漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的頻率信號(hào),作為信號(hào)處理器的輸入,經(jīng)過(guò)信號(hào)的檢測(cè)、濾波、放大、限幅、頻電轉(zhuǎn)換等處理,輸出標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)。產(chǎn)品具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,流量測(cè)量壓損小、量程比寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量,適用范圍廣。本文針對(duì)于兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)的測(cè)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(cè)傳感器和信號(hào)處理器組成,集成了頻率信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)濾波和處理,產(chǎn)品經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)完善,通過(guò)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(cè)量原理
渦街流量計(jì)的檢測(cè)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(chēng)口徑基本相同,一般通過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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(cè)介質(zhì)流過(guò)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(chēng)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(cè)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(wú)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(xiàn)性測(cè)量范圍。由公式(1)可見(jiàn),旋渦的分離頻率與流體流速成正比,通過(guò)檢測(cè)旋渦的分離頻率,可以測(cè)出流體速度,進(jìn)而測(cè)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(cè)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(hào)。該信號(hào)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(hào)。傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測(cè)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(guò)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(hào)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(hào)處理器。
表體部分根據(jù)測(cè)量管徑可以設(shè)計(jì)為圓環(huán)式或插入式。表體與測(cè)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(cè)傳感器根據(jù)測(cè)量介質(zhì)和測(cè)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(cè)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(wú)接觸測(cè)量;檢測(cè)頻率過(guò)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(cè)管道內(nèi)流速較低,產(chǎn)生的漩渦頻率較低的場(chǎng)合。
壓電式傳感器利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。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(xiàn)制渦街流量渦街流量計(jì)采用的壓電傳感器主要檢測(cè)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(méi)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(cè)量場(chǎng)合。
為保證流體經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度的直管段,其長(zhǎng)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(mǎn)被測(cè)液體,如果達(dá)不到滿(mǎn)管要求,應(yīng)進(jìn)行變徑處理。根據(jù)傳感器的測(cè)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(chǎng)干擾、空間小和維修不方便的場(chǎng)合。
信號(hào)處理器對(duì)渦街流量傳感器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)輸出。信號(hào)處理器框圖如圖3所示。

(未完,見(jiàn)下頁(yè))
上一條:采用渦輪流量計(jì)來(lái)測(cè)定主排水泵流量方案簡(jiǎn)述
下一條:關(guān)于兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案介紹(下)
新型兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)(又稱(chēng)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(cè)傳感器檢測(cè)漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的頻率信號(hào),作為信號(hào)處理器的輸入,經(jīng)過(guò)信號(hào)的檢測(cè)、濾波、放大、限幅、頻電轉(zhuǎn)換等處理,輸出標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)。產(chǎn)品具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,流量測(cè)量壓損小、量程比寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量,適用范圍廣。本文針對(duì)于兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)的測(cè)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(cè)傳感器和信號(hào)處理器組成,集成了頻率信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)濾波和處理,產(chǎn)品經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)完善,通過(guò)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(cè)量原理
渦街流量計(jì)的檢測(cè)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(chēng)口徑基本相同,一般通過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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(cè)介質(zhì)流過(guò)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(chēng)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(cè)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(wú)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(xiàn)性測(cè)量范圍。由公式(1)可見(jiàn),旋渦的分離頻率與流體流速成正比,通過(guò)檢測(cè)旋渦的分離頻率,可以測(cè)出流體速度,進(jìn)而測(cè)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(cè)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(hào)。該信號(hào)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(hào)。傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測(cè)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(guò)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(hào)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(hào)處理器。
表體部分根據(jù)測(cè)量管徑可以設(shè)計(jì)為圓環(huán)式或插入式。表體與測(cè)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(cè)傳感器根據(jù)測(cè)量介質(zhì)和測(cè)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(cè)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(wú)接觸測(cè)量;檢測(cè)頻率過(guò)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(cè)管道內(nèi)流速較低,產(chǎn)生的漩渦頻率較低的場(chǎng)合。
壓電式傳感器利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。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(xiàn)制渦街流量渦街流量計(jì)采用的壓電傳感器主要檢測(cè)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(méi)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(cè)量場(chǎng)合。
為保證流體經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度的直管段,其長(zhǎng)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(mǎn)被測(cè)液體,如果達(dá)不到滿(mǎn)管要求,應(yīng)進(jìn)行變徑處理。根據(jù)傳感器的測(cè)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(chǎng)干擾、空間小和維修不方便的場(chǎng)合。
信號(hào)處理器對(duì)渦街流量傳感器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)輸出。信號(hào)處理器框圖如圖3所示。

(未完,見(jiàn)下頁(yè))
上一條:采用渦輪流量計(jì)來(lái)測(cè)定主排水泵流量方案簡(jiǎn)述
下一條:關(guān)于兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案介紹(下)
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