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渦街流量計信號采集及檢測方法

作者:admin 發布時間:2014-09-26點擊:653

  渦街流量計是利用流動振蕩原理來進行流量測量的。即在特定的流動條件下,流體一部分動能產生流動振蕩,且振動頻率與流體的流速(或流量)有一定關系。這種流量計可分為自然振蕩的卡門漩渦分離型和流體強迫振蕩的漩渦進動型兩種。前者稱為渦街流量計(vortex shedding flow meter),后者稱為旋進漩渦流量計(swirl flow meter)。這種流量計輸出與流量成正比的脈沖信號,可廣泛用于液體、氣體和蒸氣的流量測量。

  渦街流量計把一個漩渦發生體(如圓柱體、三角柱體等非流線形對稱物體)垂直插在管道中,當流體繞過漩渦發生體時,會在其左右兩側后方交替產生旋轉方向相反的漩渦(順時針旋轉和逆時針旋轉),形成渦列,猶如街道旁的路燈,故又有“渦街”之稱,如圖3-17所示。

圖3-17 渦街形成原理

  由于漩渦之間的相互影響,漩渦列一般是不穩定的。實驗證明,當兩列漩渦之問的距離h和同列的兩個漩渦之間的距離l滿足公式h/l=0.281時,渦街是穩定的。此時漩渦的頻率f與流體的平均速度u (m/s)及漩渦發生體的寬度d有如下關系,即

  f = St u/d

  式中St為斯特勞哈爾數(無量綱系數),它主要與漩渦發生體的形狀(寬度d)和流體雷諾數有關.在雷諾數為2X10的4次方-7X10的6次方時,St基本上為常數。而漩渦發生體寬度d也是定值,因此,漩渦產生的頻率f與流體的平均流速u成正比。所以,只要測得漩渦的頻率f,就可以得到流體的流速u,進而可求得體積流量qv。

  一般來說,渦街流量計輸出信號(頻率)不受流體物性和組分變化的影響。僅與漩渦發生體形狀、尺寸以及流體的雷諾數有關。其特點是管道內無可動部件,壓損較小,精確度約為±(0.5%-1%),量程比可達20:1或更大。但是,渦街流量計不適于低雷諾數的情況,在高黏度、低流速、小口徑的情況下使用受到一定限制。渦街流量計安裝時前后要有足夠的直管段長度,上下游的直管段分別不少于20D(D為管道內徑)或50D,應盡量杜絕振動。

  不同渦街流量計的信號采集及檢測方法如下:

  一、差動電容法渦街流量計

  在渦流發生體兩側安裝差動電容傳感器,結構如圖9-7(a)。當被側流體繞發生體兩側通過時,由于阻流現象,被測流體產生面層分離,流壓隨成脈動,引起彈性金屬膜片的往復運動。膜片受壓時,電容兩極板間距變小,膜片釋壓時,極板間距恢復正常,膜片受壓和釋壓過程使電容量發生周期變化,引起后續差動電容電橋回路中的電流參數變化(見圖9-7(b)所示)。若將變化信號引入前置放大器,經濾波、放大、整形處理,最終形成與流量成正比的數/模信號。如圖9-7(c)所示。

圖9-7(a)(b)(c) 差動電容式渦街流最計結構及電氣原理圖

  二、應力或應變式渦街流量計

  將對應力敏感的壓電晶體埋設在旋渦發生體的內部,當被側流體通過發生體兩側時,由于交變差壓作用,壓電晶體也會受到交變應力作用,發出微弱尖刺正向脈沖信號,該信號與旋渦、流量同步且為正比。經轉換器處理后,同差動電容式流量計一樣,最終形成與流量成正比的數/模信號。如圖9-8所示。

圖9-8 應力式結構示意圖

  三、熱敏式渦街流量計

  從熱力學可知,將一熱力場置于流體中,若流體順序流動,其熱輻射速率將比流體靜止時要快,若流體的流速交替變化,熱輻射也將交替變化。若熱力場為一自熱式熱敏電阻,其阻值也將隨熱輻射而變化。

  將自熱式熱敏電阻埋設于旋渦發生體的合適位置,當流速因旋渦的發生而產生交替變化時,會引起阻值以及電信號變化。如對變化信號進行采集、放大、處理,最終也會產生與流量成正比的數/模信號。見圖9-9。

 

 

 

 

 

 

 

圖9-9 熱敏式渦街流量計結構及電氣原理圖

  四、超聲波式渦街流最計

  將發射器和接收器分別置于旋渦發生體下游段,當聲波穿過每對渦向相反的旋渦時,均會產生鏡像波束偏轉,在接收器輸入端引起周期性電信號變化。該信號經放大、整形、處理,產生與流量成正比的數/模信號。見圖9-10。

圖9-10 超聲波渦街流量計結構示意圖