涡街流量计原理及概述.doc

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Sr--斯特劳哈尔数; m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 图1卡曼涡街 管道内体积流量qv为 qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr (2) K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (3)式中K--流量计的仪表系数,脉冲数/m3〔P/m3〕。 K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。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有关,图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见,在ReD=2×104~7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时,VSF的流量计算式为 (4)图2斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线式中qVn,qV--分别为标准状态下〔0oC或20oC,〕和工况下的体积流量,m3/h; Pn,P--分别为标准状态下和工况下的绝对压力,Pa; Tn,T--分别为标准状态下和工况下的热力学温度,K; Zn,Z--分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。 由上式可见,VSF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。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。 VSF由传感器和转换器两局部组成,如图3所示。传感器包括旋涡发生体〔阻流体〕、检测元件、仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。图3涡街流量计〔1〕旋涡发生体 旋涡发生体是检测器的主要部件,它与仪表的流量特性〔仪表系数、线性度、范围度等〕和阻力特性〔压力损失〕密切相关,对它的要求如下。 1〕能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同时别离; 2〕在较宽的雷诺数范围内,有稳定的旋涡别离点,保持恒定的斯特劳哈尔数; 3〕能产生强烈的涡街,信号的信噪比高; 4〕形状和结构简单,便于加工和几何参数标准化,以及各种检测元件的安装和组合; 5〕材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温度变化; 6〕固有频率在涡街信号的频带外。 已经开发出形状繁多的旋涡发生体,它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类,如图4所示。单旋涡发生体的根本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些根本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种,如图5所示。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过它的应用并不普遍。〔a〕单旋涡发生体〔b〕双、多旋涡发生体图4旋涡发生体图5三角柱旋涡发生体d/D=~;c/D=~;b/d=1~;θ=15o~65o⑵检测元件 流量计检测旋涡信号有5种方式。 1〕用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压; 2〕旋涡发生体上开设导压孔,在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压; 3〕检测旋涡发生体周围交变环流; 4〕检测旋涡发生体反面交变差压; 5〕检测尾流中旋涡列。 根据这5种检测方式,采用不同的检测技术〔热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等〕可以构成不同类型的VSF,如表1所示。表1旋涡发生体和检测方式一览表序号旋涡发生体截面形状传感器序号旋涡发生体截面形状传感器检测方式检测元件检测方式检测元件1方式5)超声波束9方式2)反射镜/光电元件2方式2)方式3)方式5)方式1)悬臂梁/电容,悬臂梁/压电片热敏元件超声波束应变元件10方式5)膜片/压电元件11方式3)扭力管/压电元件3方式1)方式2)压电元件压电元件12方式4)扭力管/压电元件4方式1)方式2)方式2)膜片/电容热敏元件振动体/电磁传感器13方式4)振动片/光纤传感器14方式5)超声波束5方式1)膜片/静态电容15方式2)应变元件6方式1)磁致伸缩元件16方式1)压电元件7方式1)膜片/压电元件17方式4)应变元件8方式2)热敏元件18方式5)超声波束⑶转换器 检测元件把涡街信号转换成电信号,该信号既微弱又含有不同成分的噪声,必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。 不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表2所列。表2检测方式与前置放大器检测方法热敏式超声式应变式应力式电容式光电式电磁式前置放大器恒流放大器选频放大器恒流放大器电荷放大器调谐-振动放大器光电放大器低频放大器 转换器原理框图如图6所示。图6转换器原理框图⑷仪表表体 仪表表体可分为夹持型和法兰型,如图7所示。图7仪表表体三、 VSF结构简单牢固,安装维护方便〔与节流式差压流量计相比拟,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结等〕。 适用流体种类多,如液体、气体、蒸气和局部混相流体。 精确度教高〔与差压式,浮子式流量计比拟〕,一般为测量值的〔±1%~±2%〕R。 范围宽度,可达10:1或20:1。 压损小〔约为孔板流量计1/4~1/2〕。 输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量,无零点漂移; 在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性〔密度,粘度〕和组分的影响,即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质,如图8所示。图8不同测量介质的斯特劳哈尔数 可根据测量对象选择相应的检测方式,仪表的适应性强。 VSF在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。 VSF不适用于低雷诺数测量〔ReD≥2×104〕,故在高粘度、低流速、***情况下应用受到限制。 旋涡别离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响,应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器〔整流器〕,一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。 力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。 与涡轮流量计相比仪表系数较低,分辨率低,口径愈大愈低,一般满管式流量计用于DN300以下。 仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。四、 涡街流量计可按下述原那么分类。 按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。 按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。 按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。 按传感器与转换器组成分为一体型和别离型。 按测量原理分为体积流量计、质量流量计。 各类涡街流量计性能比拟如表3所示。表3不同检测方法涡街流量计比拟名称检测变化量检测技术口径/mm介质温度/oC范围度雷诺数范围简单程度牢固程度灵敏度耐热性耐振性耐污能力应用范围检测原理检测元件热敏式涡街流量计流速变化加热体冷却热敏元件25~200-196~+20515~30104~106△√√×√×清洁、无腐蚀液体、气体超声式涡街流量计声束被调制超声换能器25~150-15~+175303×103~106×△√△√√***液体、气体电容式涡街流量计压力变化压差作用压差检测膜片/电容15~300-200~+40030104~106×△√√△△液体、气体、蒸汽应力式涡街流量计压差检测膜片/压电片50~200-18~+20516104~106×△√√×√液体、气体、蒸汽振动体式涡街流量计压差检测圆盘/电磁50~200-268~-4810~305×103~106√×△√××极低温液态气体棱球/电磁-40~+427高温蒸汽光电式涡街流量计压差检测反射镜/光电元件40~80-10~+50403×103~105√△√×××低压常温气体应变式涡街流量计升力作用应变检测应变元件50~150-40~12015104~3×106△√×△△√液体应力式涡街流量计应力检测压电元件15~300-40~+40010~20104~7×106√√√√×√液体、气体、蒸汽注∶√-较好、△-一般、×-差。 以下简介几种类型VSF。 ⑴应力式VSF 如图9所示,应力式VSF应用检测方式1〕~4〕〔见二、2.〕,它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上,转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造本钱低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽,现场适应性强,可靠性较高,它是目前VSF的主要产品类型。图9应力式涡街流量计1-表头组;2-三角柱;3-表体;4-联轴;5-压板;6-探头;7-密封垫;8-接头;9-密封垫圈;10-螺栓;11-销;12-铭牌;13-圆螺母;14-支架;15-螺栓 但是,它对管道振动较敏感,是其主要缺点,几年来,生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷:如对仪表本身结构,检测位置以及信号处理等采取措施;在管道安装减震方式下功夫;向用户提供选点咨询指导等,已经取得一定的进展,当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。 〔2〕电容式VSF 电容式VSF应用检测方式1〕、2〕,安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁〔见图10〕。当旋涡产生时,在两侧形成微小的压差,使振动体绕支点产生微小变形,从而导致一个电容间隙减少〔电容量增大〕,另一个电容间隙增大〔电容量下降〕,通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时,不管振动是何方向,由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体与电极都在同方向上产生变形,由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差,不可能完全消除振动的影响,但大大提高了耐振性能。试验证明,其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400oC,温度对电容检测元件的影响有两方面:温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变,这些导致电容值发生变化,另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明,当温度升高至400oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的根本性能。图10电容式检测元件 ⑶热敏式VSF 热敏式VSF采用检测方式2〕、3〕,如图11所示。旋涡别离引起局部流速变化,改变热敏电阻阻值,恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高,下限流速低,对振动不敏感,可用于清洁、无腐蚀性流体测量。图11热敏式涡街流量计R11,R12-热敏电阻 ⑷超声式VSF 超声式VSF采用检测方式5〕,如图12所示。由图可见,在管壁上安装二对超声探头T1,R1,T2,R2,探头T1,T2发射高频、连续声信号,声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时,每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用,受调制声波被接收探头R1,R2转换成电信号,经放大、检波、整形后得旋涡信号。仪表有较高检测灵敏度,下限流速较低,但温度对声调制有影响,流场变化及液体中含气泡对测量影响较大,故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。