關于兩線制渦街流量計的設計與改進方案介紹(上)

         本文概述：
        新型兩線制渦街流量計（又稱渦街流量變送器）產品是根據卡曼渦街原理，采用磁敏式、壓電式檢測傳感器檢測漩渦發生體產生的頻率信號，作為信號處理器的輸入，經過信號的檢測、濾波、放大、限幅、頻電轉換等處理，輸出標準4～20mA信號。產品具有系列化、標準化、通用化，流量測量壓損小、量程比寬、結構簡單、應用范圍廣、工作穩定可靠、便于安裝調試等特點，能夠適用于石油、化工、冶金、電力、醫藥、食品等行業的工業管道中氣體、蒸汽、液體多種介質的流量精確測量，適用范圍廣。本文針對于兩線制渦街流量計的測量原理、設計實現與改進完善方法。渦街流量計由漩渦發生體、檢測傳感器和信號處理器組成，集成了頻率信號產生、信號濾波和處理，產品經過不斷地改進完善，通過出廠試驗及實際應用證明渦街流量計各項性能指標達到了設計要求，已得到**應用，取得了良好的經濟效益。

　　1 渦街流量計的測量原理
　　渦街流量計的檢測傳感器是根據卡曼渦街原理設計的，渦街流量計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。表體內安裝了一個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。當管道中被測介質流過三角柱時，在三角柱兩側交替產生旋渦，旋渦不斷產生和分離，在三角柱下游便形成了交錯排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝在流體管道中的三角柱即漩渦發生體，產生的這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。



　　設三角柱迎流面寬度為d，表體內徑為D，被測介質在管道中的平均流速為V，旋渦的發生頻率為f，根據卡曼渦街原理，卡曼渦街的頻率有如下關系：
　　式中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面寬度。
　　公式（1）中的斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發生體形狀及雷諾數（Re）有關，如圖2所示。



　　在Re=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數，雷諾數在這段范圍內是渦街流量渦街流量計線性測量范圍。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，進而測量出流體的瞬時體積流量。
　　旋渦交錯分離，在三角柱兩側及后面的尾流中產生脈動的壓力，設在三角柱內部（或后面）的檢測傳感器受到這種微小的脈動壓力的作用，使安裝在傳感器內的壓電陶瓷元件受到交變應力而產生交變電荷信號。該信號經放大器上的電荷放大、濾波限幅和觸發整形處理后，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脈沖將代表一定體積的被測流體。一段時間內的輸出總脈沖數，將代表這段時間內流過傳感器的流體總體積。
　　式中：K—儀表系數（單位體積的脈沖數）；n—脈沖數；Qv—流體體積（m3）。
　　渦街流量計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K在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。

　　2 渦街流量計的設計
　　渦街流量計設計包括兩個部分：表體部分和信號處理器。
　　表體部分根據測量管徑可以設計為圓環式或插入式。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測量介質和測量環境不同可以選擇磁敏式、壓電式。
　　磁敏式傳感器應用電磁感應原理測量，是傳感器產品的一個重要組成部分，磁敏傳感器應用的大優點是可以實現無接觸測量；檢測頻率過高時，磁敏式傳感器運動部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用于檢測管道內流速較低，產生的漩渦頻率較低的場合。
　　壓電式傳感器利用正壓電效應進行檢測。某些電介質（如石英晶體、壓電陶瓷），當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態的現象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，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電式傳感器。兩線制渦街流量渦街流量計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、質量輕、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩定性高，適用于流速高、頻率較高的測量場合。
為保證流體經過三角柱時的流速比較平穩，能后產生穩定的漩渦頻率，渦街流量計表體安裝應與液體流動方向垂直，三角柱的上游和下游應保證一定長度的直管段，其長度應符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安裝液體傳感器的附近管道內應充滿被測液體，如果達不到滿管要求，應進行變徑處理。根據傳感器的測量原理，傳感器應避免安裝在有強烈機械振動的管道上。傳感器應避免安裝在有較強電磁場干擾、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生的頻率信號經過濾波、放大、頻電轉換等幾個環節處理，終將頻率信號轉換為標準4～20mA信號輸出。信號處理器框圖如圖3所示。



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