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涡街流量计的结构详解
发布日期:2018-09-25
 
涡街流量计由涡街流量传感器和转换电路组成。前者又分为漩涡发生体和漩涡频率检测器。涡街流最计的结构,因各种检测器和发生体组合方式不同而各具特色。
 
1漩涡发生体
 
漩涡发生体是涡街流量计的核心部件。由相似定理证明得:在几何相似的涡街体系中,只要保持流体动力学相似(即雷诺数相等),则斯特拉哈尔数S,必然相等。漩涡发生体的形状和尺寸对涡街流最计的性能有决定性的作用。其设计一方面与漩涡频率的检测手段有关,另一方面要使漩涡尽量沿柱体长度方向同时产生,且同时与柱体分离,这样才便于得到稳定的涡列,而且信噪比强,容易检测。但是柱长有限,靠近管道轴线处流速高.靠近管壁处流速低,沿柱长方向各处的漩涡产生不容易同步,合理的几何形状有利于同步分离。表4一11列出了典型漩涡发生体的形状和特点,由表可见,三角柱和梯形柱漩涡发生体的优点很多,应用较为广泛。
 
漩涡频率检浏器
 
伴随漩涡的形成和分离,漩涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾流周期振荡,依据这些现象可以进行漩涡分离频率的检测。流体漩涡频率检测的出发点是检测器安装方便、耐高温高压。由于发生体结构的多样化,相对应地,漩涡频率检测的方法也多种多样。概括起来可分为两大类:
 
(l)受力检测类。检测由漩涡引起的作用在漩涡发生体_L的局部压力变化,或受力频率变化,一般可用应力、应变、电容、电磁等检测技术。
 
(2)流速检测类。检测由漩涡引起的在漩涡发生体附近的局部流速变化,一般可用热敏、超声、光电、光纤等检测技术。
 
A受力检测类
 
电磁检测法
 
电磁检测法如图4一45所示,它是在漩涡发生体后设置一个信号电极,信号电极又处在磁感应强度为B的永久磁场中,被测流体流经发生体产生漩涡,振动的漩涡序列作用于信号电极,使其产生与漩涡相同频率的振动。根据法拉第电磁感应定律,导体在磁场中运动切割磁力线,在信号电极上会产生感应电势U,即
 
U=Bdv                                 (4一109)
 
 
 
式中d—信号电极的直径,m。
 
感应电势的变化频率等于漩涡频率,因此可以通过检测感应电势的频率和大小来测量流量。这种方法的优点是:耐振性和抗干扰性好。由于是自发电式传感器,可以制成微功耗流址计,这是近年来刚刚兴起的涡街频率检测法。
 
b应力检测法
 
在漩涡发生体内,或漩涡发生体外部埋置压电晶体,利用压电晶体对应力的敏感特性,检测所受到的交变应力来反映漩涡分离频率。压电晶体所产生的交变电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后输出与游涡频率相应的脉冲信号或电流信号。由于压电传感器具有响应快、信号强、制造成本低、工作温度范围宽、可靠性好等优点,使应力式涡街流量传感器在国内外发展较快,已广泛用于液体、气体、蒸汽流量的测量。但它抗振性较差,选用时应充分注意现场振动情况,采取可靠抗振措施。
 
图4一46是漩涡发生体内封装压电检测元件的结构,应力式涡街流量计的频率检测元件 —压电元件封装在发生体的零弯矩断面内(如图4一47所示),中性面的一侧p.为压应力,另一侧p:为拉应力。两部分的压电电荷极性相反,通过差动方式输人到电荷放大器,两个信号叠加,放大器输出与漩涡频率成正比的信号。
 
应力检测法漩涡发生体多采用三角形、梯形,单片对分式压电元件及应力分布如图4一47 所示。
 
图4一44所示两列平行的稳定漩涡,每个漩涡都具有相同的环量厂。因上下两列漩涡的旋转方向相反,设下侧涡列的环量为+厂,上侧的为一I’,沿封闭流动流线的环量不随时间而改变,所以在发生体右下方产生一个漩涡后,必须在左下方产生一个相反的环量以使环量和为零。这个环量就是漩涡发生体周围的环流。根据茹科夫斯基升力定理,由于这个环量的存在,会在这个发生体上产生一个升力,该升力垂直于轴线方向。由于漩涡在发生体两侧交替产生,且旋转方向相反,故作用在发生体上的升力亦是交替变化的。交替作用在发生体上的升力变化频率等于漩涡的分离频率,而升力变化频率又与流体振动频率相等。整个漩涡发生体所产生的横向升力F为
 
 
式中CL—横向升力系数,无量纲,大小与漩涡发生体的形状有关;
p—被测流体的密度.k岁m,;
 
b—漩涡发生体在流动方向上的投影宽度,m。
 
横向升力F使漩涡发生体内产生一个交变应力8,由于压电元件被直接封装在发生体内,与发生体形成一个整体,这个应力也作用在压电元件上。当压电元件确定后,其输出信号只与应力有关。依据压电效应,压电元件上产生的电荷q为
 
 
综上所述,在漩涡发生体的形状、尺寸确定的情况下,信号电荷的强度与被测流体的流速平方和密度成正比。测员出电荷的强度就可以知道被测流量的大小。在流体密度小和流量较小时,信号强度较弱。应力式涡街流量传感器易受振动噪声的影响,因而要采取抑制噪声的方法。
 

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