摘要:傳統(tǒng)的渦街流量計(jì)對(duì)管徑雷諾數(shù)Rep<104時(shí)的流量不能測(cè)量,且儀表的耐展性差,遇到安裝地點(diǎn)晨動(dòng)或管道振動(dòng)的場(chǎng)合,則測(cè)量結(jié)果經(jīng)常失真，不能保證準(zhǔn)確,并且儀表的安裝條件苛刻。文中介紹了基于電磁檢測(cè)法的電礅渦街流量計(jì)的原理、設(shè)計(jì)及如何克服上述缺點(diǎn)的舉措。
自從1969年第一臺(tái)渦街流量計(jì)問世以來(lái),由于可以測(cè)量氣體、液體和蒸汽的流量,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、范圍度寬、壓力損失低、輸出信號(hào)和流量呈線性關(guān)系、價(jià)格適中,使得渦街流量計(jì)的發(fā)展異常迅速,市場(chǎng)占有率上升到流量?jī)x表的10%以上。渦街流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中仍然存在以下問題:
(1)抗干擾性差,尤其對(duì)管道振動(dòng)敏感,影響測(cè)量結(jié)果;
(2)渦街流量計(jì)是速度式儀表,流體在管道流動(dòng)時(shí)的分布畸變會(huì)影響漩渦的形式，要求在流量計(jì)的上游至少安裝10D(D為管道直徑)長(zhǎng)度的直管段，下游則有5D的直管段;
(3)測(cè)量時(shí),被測(cè)流體必須滿足Rep≥2X104才能產(chǎn)生穩(wěn)定的漩禍。
1測(cè)量原理
如圖1所示，電磁渦街流量計(jì)由二部分組成:轉(zhuǎn)換顯示電路(上部)和流量傳感器(下部)。流量傳感器主要由漩渦發(fā)生體、信號(hào)電極、永久磁鐵、殼體組成。渦街流量傳感器的工作原理如圖2所示。
被測(cè)流體流經(jīng)漩渦發(fā)生體時(shí)，當(dāng)流量增大到一定程度時(shí),流體會(huì)在漩渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生交替變化的兩列漩渦。當(dāng)兩列漩渦的距離h滿足公式h=1.3b時(shí),產(chǎn)生的漩渦是穩(wěn)定的。單列漩渦的頻率和流體流速之間呈下列關(guān)系:
式中,v1為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;b為漩渦發(fā)生體迎流面的最大寬度,m;St為斯特勞哈爾數(shù),當(dāng)雷諾數(shù)ReD≥2X104,漩渦發(fā)生體和管徑尺寸確定后,是一常數(shù)。將式(1)整理得
當(dāng)渦街流量計(jì)的柱寬比b/D=0.28時(shí)，經(jīng)計(jì)算漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流通面積S1為
由式(4)知，對(duì)于已確定口徑的流量計(jì),b、D固定。在一定的流量范圍內(nèi)St是常數(shù),所以K為一常數(shù);則單列漩渦的頻率ƒ和流量qv成正比，只要檢測(cè)出漩渦的頻率數(shù)就可以知道被測(cè)流體的流量大小。
由圖1可以看出,在滿渦發(fā)生體的下游有--處在磁場(chǎng)中心的電極,振動(dòng)漩渦列向下游移動(dòng)時(shí)作用于信號(hào)電極上,使信號(hào)電極產(chǎn)生和漩渦頻率相同頻率的振動(dòng)。由電磁感應(yīng)定律,信號(hào)電極在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng),信號(hào)電極會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
式中,Ex為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),V;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;d為信號(hào)電極直徑,m;V2為信號(hào)電極切割磁力線速度,m/s。
流體流經(jīng)漩渦發(fā)生體產(chǎn)生交替變化的游渦,湔渦作用于信號(hào)電極.上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Er,其極性也隨漩渦的交替變化而變化,Ex變化頻率就是漩渦的頻率。因此,只要測(cè)出信號(hào)電極輸出的感應(yīng)電勢(shì)Ex,就可知道流體的體積流量qv。
2傳感器的研制
2.1傳感器殼體設(shè)計(jì)
(1)采用了漸縮測(cè)量導(dǎo)管經(jīng)一角度漸縮為管道直徑的4/5,傳感器本體經(jīng)這樣設(shè)計(jì)后,在流量不變的條件下，流過傳感器的流速增加,管徑雷諾數(shù)Re增加，解決了拓寬測(cè)量下限的矛盾。從流體的連續(xù)性方程可得
式中,S為管道內(nèi)截面積，m2;v為流經(jīng)管道內(nèi)截面的平均流速，m/s;S1為流體流經(jīng)有漸縮測(cè)量導(dǎo)管的漩渦發(fā)生體處的流通截面積,m2則
上式說(shuō)明，流經(jīng)傳感器的流體,流速大大增加了,在被測(cè)量流體的其它條件不變的條件下。管徑雷諾數(shù)數(shù)值有很大的改變,經(jīng)過計(jì)算可將流體的雷諾數(shù)下限從2X104降到2080,從而大大加寬了電磁渦街流量計(jì)的量程比。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),電磁渦街流量計(jì)的量程比為25:1。
(2)電磁渦街流量傳感器的漩渦發(fā)生體在三角柱的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，將漩渦發(fā)生體迎流面、背流面設(shè)計(jì)成和梯形柱具有相同外接圓的圓柱面。漩渦發(fā)生體的迎流面設(shè)計(jì)成圓柱面，從而具有圓柱型漩渦發(fā)生體St較大的優(yōu)點(diǎn),在管徑和迎流面寬度相同的條件下，流過相同體積的流體時(shí),漩渦發(fā)生體可以產(chǎn)生更多的漩禍，使渦街流量計(jì)可以測(cè)量比較小的流量,拓寬了流量測(cè)量下限。
渦街流量計(jì)是速度式流量計(jì),它是以測(cè)量流體流經(jīng)管道的平均流速為測(cè)量依據(jù)的儀表。當(dāng)流體流經(jīng)漩渦發(fā)生體時(shí)，產(chǎn)生的漩渦容易受到傳感器上游側(cè)局部阻力件的影響,尤其是流體流經(jīng)管道產(chǎn)生分布型畸變時(shí)，產(chǎn)生的謙渦質(zhì)量將受到破壞，因此安裝渦街流量計(jì)時(shí)，上游側(cè)至少要有10D長(zhǎng)度的直管段(一般為20D直管段長(zhǎng)度),下游側(cè)要有5D長(zhǎng)度的直管段。電磁渦街流量計(jì)本體經(jīng)過上述巧妙設(shè)計(jì)后,可將上游側(cè)直管段長(zhǎng)度要求縮短到6D,下游側(cè)直管段長(zhǎng)度3D。
2.2轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
電磁渦街流量計(jì)的轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把流量傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量、累積流量和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出。電磁檢測(cè)的渦街流量計(jì)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
轉(zhuǎn)換電路工作過程是:被測(cè)流體流經(jīng)電磁流量傳感器,產(chǎn)生漩渦,交替變化的漩渦推動(dòng)信號(hào)電極在磁場(chǎng)中切割磁力線,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Ex,微弱的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)Ex經(jīng)前置放大、交流放大和低通濾波,然后由施密特獨(dú)發(fā)器整形為標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖,此信號(hào)進(jìn)入微處理器CPU,進(jìn)行各種運(yùn)算,再經(jīng)液晶顯示器顯示瞬時(shí)流量、累積流量等。為防止儀表掉電，在電路中設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)裝置。為降低功耗,提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾功能,轉(zhuǎn)換電路所有的集成電路均采用微功耗器件[2],電源采用電池供電,使得儀表小巧美觀。其主要特點(diǎn)是:
(1)采用電磁檢測(cè)漩渦的頻率,避開了檢測(cè)漩禍升力的方法,耐振動(dòng)性好,消除了三維方向上的振動(dòng)干擾，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也充分證明了這一優(yōu)點(diǎn)。
(2)電磁渦街流量傳感器的激磁裝置采用永久磁鐵。轉(zhuǎn)換電路由于采用了一系列的低功耗設(shè)計(jì)方法,因而可采用電池供電,不需要交流電源,直接消除了因交流供電而引入的工頻干擾，抗干擾能力強(qiáng)。
3應(yīng)用
由于電磁法檢測(cè)漩渦頻率的電磁渦街流量計(jì)具有范圍度寬、耗電少、壽命長(zhǎng)、抗振性好、安裝條件要求寬松的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍比較廣。現(xiàn)已經(jīng)研推出DN15一DN200系列，DN40的測(cè)量精度可達(dá)0.8%，可用于測(cè)量大部分的氣體、液體流量，適用于.復(fù)雜的化工生產(chǎn)環(huán)境,適用溫度范圍可達(dá)-40℃~250℃,可以準(zhǔn)確測(cè)量雷諾數(shù)大于3000的液體流量。本流量計(jì)屬于無(wú)空洞設(shè)計(jì),具有避免骯臟介質(zhì)堵塞的優(yōu)點(diǎn),適用于污水的測(cè)量。在通訊方面,本流量計(jì)采用了HART通訊協(xié)議，可進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。
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