关于两线制涡街流量计的设计与改进方案介绍(上)

         本文概述：
        新型两线制涡街流量计（又称涡街流量变送器）产品是根据卡曼涡街原理，采用磁敏式、压电式检测传感器检测漩涡发生体产生的频率信号，作为信号处理器的输入，经过信号的检测、滤波、放大、限幅、频电转换等处理，输出标准4～20mA信号。产品具有系列化、标准化、通用化，流量测量压损小、量程比宽、结构简单、应用范围广、工作稳定可靠、便于安装调试等特点，能够适用于石油、化工、冶金、电力、医药、食品等行业的工业管道中气体、蒸汽、液体多种介质的流量精确测量，适用范围广。本文针对于两线制涡街流量计的测量原理、设计实现与改进完善方法。涡街流量计由漩涡发生体、检测传感器和信号处理器组成，集成了频率信号产生、信号滤波和处理，产品经过不断地改进完善，通过出厂试验及实际应用证明涡街流量计各项性能指标达到了设计要求，已得到**应用，取得了良好的经济效益。

　　1 涡街流量计的测量原理
　　涡街流量计的检测传感器是根据卡曼涡街原理设计的，涡街流量计仪表表体直径与仪表的公称口径基本相同，一般通过卡装或法兰连接。表体内安装了一个近似为等腰三角形的柱体（以下简称三角柱）。三角柱垂直安装在表体中，底面迎向流体。当管道中被测介质流过三角柱时，在三角柱两侧交替产生旋涡，旋涡不断产生和分离，在三角柱下游便形成了交错排列的两列旋涡即“涡街”，安装在流体管道中的三角柱即漩涡发生体，产生的这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。



　　设三角柱迎流面宽度为d，表体内径为D，被测介质在管道中的平均流速为V，旋涡的发生频率为f，根据卡曼涡街原理，卡曼涡街的频率有如下关系：
　　式中：f—分离频率；Sr—斯特劳哈尔数（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面宽度。
　　公式（1）中的斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数（Re）有关，如图2所示。



　　在Re=2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，雷诺数在这段范围内是涡街流量涡街流量计线性测量范围。由公式（1）可见，旋涡的分离频率与流体流速成正比，通过检测旋涡的分离频率，可以测出流体速度，进而测量出流体的瞬时体积流量。
　　旋涡交错分离，在三角柱两侧及后面的尾流中产生脉动的压力，设在三角柱内部（或后面）的检测传感器受到这种微小的脉动压力的作用，使安装在传感器内的压电陶瓷元件受到交变应力而产生交变电荷信号。该信号经放大器上的电荷放大、滤波限幅和触发整形处理后，输出频率与旋涡分离频率相同的方波电压脉冲信号。传感器输出的每一个脉冲将代表一定体积的被测流体。一段时间内的输出总脉冲数，将代表这段时间内流过传感器的流体总体积。
　　式中：K—仪表系数（单位体积的脉冲数）；n—脉冲数；Qv—流体体积（m3）。
　　涡街流量计传感器输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数K在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。

　　2 涡街流量计的设计
　　涡街流量计设计包括两个部分：表体部分和信号处理器。
　　表体部分根据测量管径可以设计为圆环式或插入式。表体与测量管道的连接方式分为法兰卡装式、法兰连接式和插入式。频率检测传感器根据测量介质和测量环境不同可以选择磁敏式、压电式。
　　磁敏式传感器应用电磁感应原理测量，是传感器产品的一个重要组成部分，磁敏传感器应用的大优点是可以实现无接触测量；检测频率过高时，磁敏式传感器运动部件容易损坏，因此磁敏式传感器适用于检测管道内流速较低，产生的漩涡频率较低的场合。
　　压电式传感器利用正压电效应进行检测。某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。两线制涡街流量涡街流量计采用的压电传感器主要检测元件是压电陶瓷。
压电式传感器具有体积小、质量轻、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高，适用于流速高、频率较高的测量场合。
为保证流体经过三角柱时的流速比较平稳，能后产生稳定的漩涡频率，涡街流量计表体安装应与液体流动方向垂直，三角柱的上游和下游应保证一定长度的直管段，其长度应符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安装液体传感器的附近管道内应充满被测液体，如果达不到满管要求，应进行变径处理。根据传感器的测量原理，传感器应避免安装在有强烈机械振动的管道上。传感器应避免安装在有较强电磁场干扰、空间小和维修不方便的场合。
　　信号处理器对涡街流量传感器产生的频率信号经过滤波、放大、频电转换等几个环节处理，终将频率信号转换为标准4～20mA信号输出。信号处理器框图如图3所示。



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