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涡街流量计在不同流速时测量表现及流量限制问题的分析研究
本文概述:
     目前工业生产中流量计的种类类别非常多,基于不同的测量原理进行工作,力学原理、热学原理、电学原理及光学原理等。
涡街流量计是种采用卡门(Karman)涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸汽等多种介质。特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件,因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃~+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的测量仪器。
     涡街流量计在固有原理、结构、安装维护、运行费用和能耗等方面,有很大的优势,是目前气体和低粘度液体的佳选择之一。但是涡街流量计在某些方面具有技术难点需要克服。
     本文主要探讨在小流量低流速和大流量高流速的情况下,涡街流量计检测时的一些限制问题,提出了一些解决方案及实施效果。
  1  涡街流量计的优缺点
  涡街流量计在诸多应用方面都优于传统的孔板流量计。比如,孔板流量计 1 个测量回路静密封点为 20 个左右。相比而言,涡街流量计的静密封点只有 3 个,不容易泄漏 ,它不受流体温度、压力还有密度等影响,流量系数长期不变[1]。但是涡街流量计在使用的时候,也存在一些问题。
  1)由于涡街流量计的原始信号为频率信号,致使涡街流量计实际为一种数字式仪表。它只要能正常工作,精度一定有保证。但是一旦不能正常工作,产生的测量误差将非常大,甚至连流量的变化趋势都不能指示,彻底不能工作。
  2)漩涡升力与流量的平方呈正比、与流体的密度呈正比。因此,流量减小时,涡街信号以 2 阶关系急剧减弱,而气体的涡街信号远低于液体。在用于气体流量检测时,因低密度、低流速导致涡街信号微弱,极易湮没在干扰之中,流量计无法正确识别出漩涡,致使测量失败。
3)由于涡街流量计传感器必须敏感检测小流量时微小的涡街升力,直接限制了传感器的结构。针对以上一些问题,下面将做部分探讨。
  2  涡街流量计工作原理与结构
  2.1  涡街流量计的工作原理在日常生活中经常能看到涡街现象,比如风中的旗帜,由于旗杆产生的涡街而摆动,风越大,旗帜摆动越快--摆动频率与风速呈正比。还有桥墩、烟囱、高楼的设计均需考虑涡街的破坏力。涡街流量计就是参考日常生活中涡街现象的原理,在管道中插入合适大小和形状的柱体(即涡街发生体)。当流体流过时,在涡街发生体后两侧产生交替排列的漩涡,这种漩涡被称为卡门漩涡。漩涡的频率与流量呈正比。可用下式表示:F=stv/d式(1)中:f 为漩涡的频率;v 为流过涡街发生体的流体的平均速度;d 为涡街发生体的流面宽度;St 为斯特劳哈尔数(Strouhal number),数值的范围为 0.14 ~ 0.27。测量时,一般假定 St=0.2。由此,通过测量漩涡的频率就可以计算出流过涡街发生体的流体平均速度 v,再由下式 :Q=vA  可以求出流量 q。其中,A 为流体流过涡街发生体的截面积。
      2.2  涡街流量计的结构 涡街流量计的基本结构为传感器和转换器 2 大部分。传感器包含涡街发生体、检测元件等;转换器包含有放大电路、滤波整形电路以及 D/A 转换电路等;涡街发生体常见的有圆柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用较多,反馈好的是三角柱型的涡街发生体。检测元件有压电晶片、热敏电阻、超声波和应变片差动电容等。转换器部分基本都智能化了,把微处理器芯片都安装其中。涡街流量可直接在管道上安装、互换性强、体积小、长期运行精度高,可适用于大多数液体、蒸汽和气体的测量。
      3  小流量、低流速测量的限制问题基于涡街流量计的原理,流量信号的强度与流量的平方成正比,即流速降低时,涡街信号将以平方关系急剧下降。
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