專利名稱：渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法及裝置。
背景技術(shù)：
渦街流量計屬于一類新興用于流量測量的產(chǎn)品，它具有適用介質(zhì)廣、可靠性高、測量準(zhǔn)確度較高等突出優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。旋渦頻率的檢測是渦街流量計的一個關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有渦街流量計旋渦頻率的檢測方法主要有熱絲檢測法、熱敏檢測法、電容檢測法、壓電晶體檢測法以及最近出現(xiàn)的超聲波檢測法。相比之下，壓電晶體檢測法總體效果最好，也最為常用，其它方法用得很少。但是，壓電晶體檢測法存在兩個嚴(yán)重的問題，即壓電晶體對管道的振動較敏感，當(dāng)流體或管道及管道附近有振動時，就會產(chǎn)生很大的誤差，甚至無法使用；其二是壓電晶體長期使用的穩(wěn)定性較差，特別是無法在高溫下測量。為了解決上述問題，研究人員從傳感器的結(jié)構(gòu)形式和流量信號的分析處理等角度進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了一些的成果，但是都難以從根本上予以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法及裝置。
渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法是在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距發(fā)生體迎流端面 之間的管壁上開兩個對稱于旋渦發(fā)生體的取壓孔，通過差壓傳感器測量的管壁差壓信號，用差壓傳感器測量管壁處的差壓，信號經(jīng)過放大器再接整形檢波電路或利用快速傅立葉變換得到旋渦頻率。
渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置它具有測量管段，在測量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計的旋渦發(fā)生體，在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面 之間的測量管段上開有兩個對稱于測量管段軸線的取壓孔，在兩個對稱于測量管段軸線的取壓孔之間接有差壓傳感器，差壓傳感器之后接有放大器，放大器之后接有整形檢波電路。
在本發(fā)明提出的方法中，傳感器系統(tǒng)獨(dú)立于旋渦發(fā)生體并且位于管道外面，對管內(nèi)介質(zhì)的流動沒有影響，維修和更換時不需要切斷管流拆卸旋渦發(fā)生體，可以實(shí)現(xiàn)傳感器在線維修和更換；具有較強(qiáng)的抗干擾性；可測流量下限較低；操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)，工作可靠。


圖1(a)是渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)是渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖2是本發(fā)明渦街流量計的旋渦發(fā)生體橫截面示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)取壓孔的分布示意圖；圖4(a)是本發(fā)明在空氣測量介質(zhì)時的管壁差壓信號示意圖；圖4(b)是本發(fā)明在水測量介質(zhì)時的管壁差壓信號示意圖；圖5(a)是本發(fā)明在空氣測量介質(zhì)時的斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)ReD關(guān)系示意圖；圖5(b)是本發(fā)明在水測量介質(zhì)時的斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)ReD關(guān)系示意圖；圖6(a)是本發(fā)明在空氣測量介質(zhì)時的管壁差壓幅值與流量關(guān)系示意圖；圖6(b)是本發(fā)明在水測量介質(zhì)時的管壁差壓幅值與流量關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)流體力學(xué)原理，在渦街流量計中，有旋渦產(chǎn)生的地方必有壓力的變化，交替產(chǎn)生的旋渦必然會導(dǎo)致附近流場的壓力出現(xiàn)規(guī)則的變化，其變化的頻率與旋渦的頻率一一對應(yīng)，所以可以通過檢測發(fā)生體尾流中某確定的兩點(diǎn)間的波動差壓來測量旋渦頻率，從而實(shí)現(xiàn)體積流量的測量。由于發(fā)生體兩側(cè)對稱點(diǎn)上的相位差為180°且振動幅度和頻率相等，所以將差壓取壓位置選取在管壁上旋渦發(fā)生體的對稱點(diǎn)更利于檢測。
如圖1所示，渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置具有測量管段1，在測量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計的旋渦發(fā)生體4，在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面 (D為管道內(nèi)直徑)之間的測量管段1上開有兩個對稱于旋渦發(fā)生體的取壓孔2，在兩個對稱于測量管段軸線的取壓孔之間接有差壓傳感器3，差壓傳感器3之后接有放大器5，放大器5之后接有整形檢波電路6。旋渦發(fā)生體4的橫截面形狀為梯形，旋渦發(fā)生體4的迎流面寬度與測量管段內(nèi)徑之比為0.20～0.33。測量管段內(nèi)徑為25～250mm。對于50mm內(nèi)徑測量管段，旋渦發(fā)生體4的迎流面寬度為12～16mm，背流面寬度為2～5mm，總長度為15～20mm，側(cè)面斜邊長度為14～25mm。
差壓傳感器3采用Honeywell公司的24PCB型差壓傳感器，它的性能參數(shù)為10.0±0.01VDC供電，量程5psi(34kPa)，重復(fù)性0.15％，反應(yīng)時間1.0ms，輸入阻抗5.0kΩ，輸出阻抗5.0kΩ，重量2g，工作環(huán)境溫度-40℃～85℃。
放大器5采用的是AD620芯片，它的性能參數(shù)為增益范圍1～1000，±2.3V～±18V供電，低耗電量1.3mA，溫度漂移0.6μV/℃。
整形檢波電路6的作用是將正弦波輸入變換成有一定負(fù)載能力的矩形電壓脈沖信號。
快速傅立葉變換(FFT)是一種譜分析方法，它將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域，以方便提取出渦街頻率值。其原理如下如果把時間歷程x(t)限制在時間區(qū)間(0，T)內(nèi)，頻率f處的功率譜密度函數(shù)的原始估計為Gx(f)=2T|Xn(f,T)|2,T=NΔt]]>若有限的離散傅立葉變換為X(f,T)=ΔtΣk=0N-1xkexp(-j2πfkΔt),xk=x(kτ),k=0,1,···,N-1.]]>FFT離散頻率值為fn=nNΔt,n=0,1,2,···,N-1]]>則功率譜為Gx(f)=|Σk=0N-1kkexp(-j2πnkN)|2,n=0,1,2,···,N/2.]]>在管內(nèi)流動介質(zhì)分別為水和空氣的情況下均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，管道的內(nèi)直徑D＝50mm，旋渦發(fā)生體的橫截面近似為梯形，迎流面寬度d＝14mm，具體形狀和其他參數(shù)如圖2所示。管壁差壓的取壓孔選擇在發(fā)生體后的三對不同位置a、b、c，它們分別位于距發(fā)生體迎流面 D的下游，如圖3所示。取壓孔的直徑為2mm，兩根引壓管的長度均為20cm，差壓傳感器為Honeywell公司的24PC型，放大器采用的是AD620型。差壓頻率通過快速傅立葉變換求得。圖4給出了不同流量下 處管壁差壓的原始信號，它們隨著旋渦的產(chǎn)生和脫落而波動。
1.斯特勞哈爾數(shù)不同流動介質(zhì)、不同取壓位置的St與ReD的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。各種情況的St基本上保持為常數(shù)，且它們的值均相等，約為0.253。
2.儀表系數(shù)不同流動介質(zhì)、不同取壓位置的儀表系數(shù)列于表1，它們之間的最大相對誤差小于1％。
表1 儀表系數(shù)(Hz·h·m-3)

3.最小可測流速各種情況的最小可測流速及常規(guī)渦街流量計的測量下限列于表2，在旋渦發(fā)生體后的一定范圍內(nèi)，越靠近發(fā)生體，旋渦的旋度越強(qiáng)，測量的靈敏度越高，不論是水還是空氣，最小可測流量都是隨取壓位置的后移而增大。當(dāng)測量水時，位置a的測量下限僅為常規(guī)表的52％；當(dāng)測量空氣時，位置a的測量下限為常規(guī)表的75％，因此采用管壁差壓法能有效地擴(kuò)展渦街流量計的測量下限；并且將取壓位置適當(dāng)靠近發(fā)生體能進(jìn)一步降低測量下限。
表2 最小可測流速(m·s-1)

*常規(guī)表數(shù)據(jù)引自“梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002”4.引壓管對測量的影響定義管壁差壓平均幅值pmax為p‾max=Σi=1Npmax(i)-Σi=1Npmin(i)2N]]>式中pmax(i)、pmin(i)分別為第i個旋渦周期內(nèi)管壁差壓的最大值和最小值；N為檢測的總周期數(shù)。pmax值反映了旋渦強(qiáng)度的大小，應(yīng)隨流量的增加而增大。
實(shí)驗(yàn)pmax與q的關(guān)系如圖6所示，圖6(a)中給出的是流動介質(zhì)為空氣時，從三對不同取壓位置測量的pmax隨q的分布情況，可見三條曲線均隨q的增加而單調(diào)遞增，較好地符合了理論預(yù)測；圖6(b)中所示的是流動介質(zhì)為水時的情況，三條曲線的形狀相似，當(dāng)q＜83m3·h-1，pmax隨流量的增加而增大，在q＝83m3·h-1附近取得極大值，當(dāng)q＞83m3·h-1，pmax不再隨流量的增加而增大，而是急劇下降直至q＞120m3·h-1后逐漸平緩遞增。
這是由于較低的引壓管固有頻率阻礙了測壓系統(tǒng)對動態(tài)管壁差壓的響應(yīng)，從而造成較大的測量誤差，與理論關(guān)系不符。但是，根據(jù)前面的分析可以看出，管壁差壓幅值的誤差并沒有影響頻率的測量，對St和儀表系數(shù)的影響甚小，也即流量的測量幾乎不會受影響；根據(jù)以上原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知通過該方法能準(zhǔn)確方便的測出流量值。
權(quán)利要求
1.一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法，其特征在于在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距發(fā)生體迎流端面 之間的管壁上開兩個對稱于旋渦發(fā)生體的取壓孔，用差壓傳感器測量管壁處的差壓，信號經(jīng)過放大器和整形檢波電路或利用快速傅立葉變換得到旋渦頻率。
2.一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置，其特征在于它具有測量管段(1)，在測量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計的旋渦發(fā)生體(4)，在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面 之間的測量管段(1)上開有兩個對稱于測量管段軸線的取壓孔(2)，在兩個對稱于測量管段軸線的取壓孔之間接有差壓傳感器(3)，差壓傳感器(3)之后接有放大器(5)，放大器(5)之后接有整形檢波電路(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置，其特征在于所述的旋渦發(fā)生體(4)的橫截面形狀為梯形，旋渦發(fā)生體(4)的迎流面寬度與測量管段內(nèi)徑之比為0.20～0.33。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置，其特征在于所述的測量管段內(nèi)徑為25～250mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測裝置，其特征在于對于50mm內(nèi)徑的測量管段，所述的旋渦發(fā)生體(4)的迎流面寬度為12～16mm，背流面寬度為2～5mm，總長度為15～20mm，側(cè)面斜邊長度為14～25mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種渦街流量計的管壁差壓式旋渦頻率檢測方法及裝置。在渦街流量計的旋渦發(fā)生體的下游距發(fā)生體迎流端面(1/5)D～D(D為管道內(nèi)直徑)之間的管壁上開兩個對稱于旋渦發(fā)生體的取壓孔，用差壓傳感器測量這兩點(diǎn)的差壓，輸出的管壁差壓信號隨著管道內(nèi)旋渦的產(chǎn)生和脫落而變化，其中包含了旋渦頻率信息，因此通過測量的管壁差壓信號可以得到旋渦頻率，進(jìn)而獲得體積流量值。在本發(fā)明提出的方法中，傳感器系統(tǒng)獨(dú)立于旋渦發(fā)生體并且位于管道外面，對管內(nèi)介質(zhì)的流動沒有影響，維修和更換時不需要切斷管流拆卸旋渦發(fā)生體，可以實(shí)現(xiàn)傳感器在線維修和更換；具有較強(qiáng)的抗干擾性；可測流量下限較低；操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)，工作可靠。
文檔編號G01F1/32GK1673689SQ20051004963
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者張宏建, 孫志強(qiáng), 黃詠梅, 閆戰(zhàn)科 申請人:浙江大學(xué)