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涡街流量计信号采集及检测方法

发布时间:2014-09-26  浏览:1082次  字号:  

  涡街流量计是利用流动振荡原理来进行流量测量的。即在特定的流动条件下,流体一部分动能产生流动振荡,且振动频率与流体的流速(或流量)有一定关系。这种流量计可分为自然振荡的卡门漩涡分离型和流体强迫振荡的漩涡进动型两种。前者称为涡街流量计(vortex shedding flow meter),后者称为旋进漩涡流量计(swirl flow meter)。这种流量计输出与流量成正比的脉冲信号,可广泛用于液体、气体和蒸气的流量测量。

  涡街流量计把一个漩涡发生体(如圆柱体、三角柱体等非流线形对称物体)垂直插在管道中,当流体绕过漩涡发生体时,会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡(顺时针旋转和逆时针旋转),形成涡列,犹如街道旁的路灯,故又有“涡街”之称,如图3-17所示。

图3-17 涡街形成原理

  由于漩涡之间的相互影响,漩涡列一般是不稳定的。实验证明,当两列漩涡之问的距离h和同列的两个漩涡之间的距离l满足公式h/l=0.281时,涡街是稳定的。此时漩涡的频率f与流体的平均速度u (m/s)及漩涡发生体的宽度d有如下关系,即

  f = St u/d

  式中St为斯特劳哈尔数(无量纲系数),它主要与漩涡发生体的形状(宽度d)和流体雷诺数有关.在雷诺数为2X10的4次方-7X10的6次方时,St基本上为常数。而漩涡发生体宽度d也是定值,因此,漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比。所以,只要测得漩涡的频率f,就可以得到流体的流速u,进而可求得体积流量qv。

  一般来说,涡街流量计输出信号(频率)不受流体物性和组分变化的影响。仅与漩涡发生体形状、尺寸以及流体的雷诺数有关。其特点是管道内无可动部件,压损较小,精确度约为±(0.5%-1%),量程比可达20:1或更大。但是,涡街流量计不适于低雷诺数的情况,在高黏度、低流速、小口径的情况下使用受到一定限制。涡街流量计安装时前后要有足够的直管段长度,上下游的直管段分别不少于20D(D为管道内径)或50D,应尽量杜绝振动。

  不同涡街流量计的信号采集及检测方法如下:

  一、差动电容法涡街流量计

  在涡流发生体两侧安装差动电容传感器,结构如图9-7(a)。当被侧流体绕发生体两侧通过时,由于阻流现象,被测流体产生面层分离,流压随成脉动,引起弹性金属膜片的往复运动。膜片受压时,电容两极板间距变小,膜片释压时,极板间距恢复正常,膜片受压和释压过程使电容量发生周期变化,引起后续差动电容电桥回路中的电流参数变化(见图9-7(b)所示)。若将变化信号引入前置放大器,经滤波、放大、整形处理,最终形成与流量成正比的数/模信号。如图9-7(c)所示。

图9-7(a)(b)(c) 差动电容式涡街流最计结构及电气原理图

  二、应力或应变式涡街流量计

  将对应力敏感的压电晶体埋设在旋涡发生体的内部,当被侧流体通过发生体两侧时,由于交变差压作用,压电晶体也会受到交变应力作用,发出微弱尖刺正向脉冲信号,该信号与旋涡、流量同步且为正比。经转换器处理后,同差动电容式流量计一样,最终形成与流量成正比的数/模信号。如图9-8所示。

图9-8 应力式结构示意图

  三、热敏式涡街流量计

  从热力学可知,将一热力场置于流体中,若流体顺序流动,其热辐射速率将比流体静止时要快,若流体的流速交替变化,热辐射也将交替变化。若热力场为一自热式热敏电阻,其阻值也将随热辐射而变化。

  将自热式热敏电阻埋设于旋涡发生体的合适位置,当流速因旋涡的发生而产生交替变化时,会引起阻值以及电信号变化。如对变化信号进行采集、放大、处理,最终也会产生与流量成正比的数/模信号。见图9-9。

 

 

 

 

 

 

 

图9-9 热敏式涡街流量计结构及电气原理图

  四、超声波式涡街流最计

  将发射器和接收器分别置于旋涡发生体下游段,当声波穿过每对涡向相反的旋涡时,均会产生镜像波束偏转,在接收器输入端引起周期性电信号变化。该信号经放大、整形、处理,产生与流量成正比的数/模信号。见图9-10。

图9-10 超声波涡街流量计结构示意图

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