摘要:傳統的渦(wō)街流量(liàng)計 對管徑雷(léi)諾(nuò)數rep<104時的(de)流量不能測量(liàng),且儀表的耐展(zhǎn)性差,遇到安裝(zhuāng)地點(diǎn)晨動或管(guǎn)道振(zhèn)動的場合,則測(cè)量結果經(jīng)常失真，不能保(bǎo)證準确,并且儀表的安裝(zhuāng)條件苛刻。文(wén)中(zhōng)介紹了基(jī)于(yú)電磁檢測法的(de)電礅渦(wō)街流量計的原(yuán)理、設計(jì)及如何(hé)克服(fú)上述(shù)缺點的舉措。
　　自從1969年(nián)第一台渦街流(liú)量計問世(shì)以來(lái),由于可(kě)以測量(liàng)氣體(tǐ)、液體和蒸(zhēng)汽的流量,而且(qiě)結構簡單(dān)、範圍(wéi)度寬、壓力(lì)損失(shī)低、輸出信(xìn)号和(hé)流量(liàng)呈線性關系、價格适中,使(shǐ)得渦(wō)街流量計(jì)的發(fā)展異常迅速,市(shì)場占有率上升到流量儀(yí)表的(de)10%以(yǐ)上。渦街(jiē)流量(liàng)計(jì)在工業(yè)應用中仍然存(cún)在以(yǐ)下問題:
(1)抗幹擾性差(chà),尤其(qí)對(duì)管(guǎn)道振動敏(mǐn)感,影響測量結(jié)果;
(2)渦街流量計(jì)是速度式儀表(biǎo),流體(tǐ)在管(guǎn)道流動時的分(fèn)布畸(jī)變會(huì)影響漩(xuán)渦的形式，要(yào)求在(zài)流量(liàng)計的上遊(yóu)至少(shǎo)安裝10d(d爲管(guǎn)道直徑)長(zhǎng)度的(de)直管段，下遊(yóu)則有5d的(de)直管(guǎn)段;
(3)測(cè)量時,被測流體(tǐ)必須滿足rep≥2x104才能(néng)産生穩定(dìng)的漩(xuán)禍。
1測量原理(lǐ)
　　如(rú)圖1所示，電(diàn)磁渦(wō)街流量計由二(èr)部分組成:轉換顯(xiǎn)示(shì)電(diàn)路(上部(bù))和流(liú)量傳(chuán)感(gǎn)器(下部)。流量傳感(gǎn)器主(zhǔ)要由漩渦(wō)發生(shēng)體(tǐ)、信号電(diàn)極、永久磁鐵、殼體組(zǔ)成。渦街(jiē)流(liú)量傳(chuán)感器的工(gōng)作原(yuán)理如圖2所示。
　　被測(cè)流(liú)體流(liú)經漩(xuán)渦發生體(tǐ)時，當流量增大到一定程度時,流體(tǐ)會在漩渦(wō)發生(shēng)體兩側産(chǎn)生交替(tì)變(biàn)化的兩列漩(xuán)渦。當(dāng)兩列漩渦(wō)的距離(lí)h滿足公式(shì)h=1.3b時,産(chǎn)生的漩渦(wō)是穩(wěn)定(dìng)的。單列漩渦(wō)的頻率(lǜ)和流體(tǐ)流速(sù)之間(jiān)呈下(xià)列關系(xì):
 
　　式中,v1爲(wèi)漩渦(wō)發生體兩(liǎng)側平(píng)均流(liú)速,m/s;b爲(wèi)漩渦發生體迎(yíng)流面的最大寬(kuān)度,m;st爲(wèi)斯特勞哈(hā)爾數,當雷諾數(shù)red≥2x104,漩渦發(fā)生體和(hé)管徑(jìng)尺寸(cùn)确定後,是一常(cháng)數。将(jiāng)式(1)整理得
 
　　當渦街流(liú)量計的柱(zhù)寬比b/d=0.28時，經計算漩渦發生體兩(liǎng)側的流通(tōng)面積s1爲
 
　　由(yóu)式(4)知(zhī)，對于(yú)已确(què)定口(kǒu)徑的流量計,b、d固(gù)定。在(zài)一定的流量範(fàn)圍内st是(shì)常(cháng)數,所(suǒ)以k爲(wèi)一(yī)常數;則(zé)單列(liè)漩渦(wō)的頻(pín)率(lǜ)ƒ和流(liú)量(liàng)qv成正(zhèng)比，隻(zhī)要檢測出漩渦的頻率數就可(kě)以知(zhī)道被(bèi)測流體的流量大小。
　　由圖1可以(yǐ)看出(chū),在滿渦發(fā)生體(tǐ)的下遊有(yǒu)--處在磁場中心(xīn)的電(diàn)極,振動漩(xuán)渦列(liè)向(xiàng)下遊移(yí)動時作用于信(xìn)号電(diàn)極上,使信(xìn)号電極(jí)産(chǎn)生和(hé)漩渦頻率(lǜ)相同(tóng)頻率的(de)振動。由(yóu)電磁(cí)感應(yīng)定律(lǜ),信号電(diàn)極在磁場中作切(qiē)割磁力線(xiàn)運動(dòng),信号(hào)電極(jí)會産(chǎn)生感(gǎn)應電動勢(shì)。
 
　　式中(zhōng),ex爲感應電(diàn)動勢(shì),v;b爲磁感(gǎn)應強度(dù),t;d爲信号電(diàn)極直(zhí)徑,m;v2爲信号電極(jí)切割磁(cí)力線(xiàn)速度,m/s。
　　流(liú)體流經漩渦發生體(tǐ)産生(shēng)交替(tì)變化的遊(yóu)渦,湔渦作(zuò)用于(yú)信号電極(jí).上産(chǎn)生感應電(diàn)勢er,其極性(xìng)也(yě)随漩渦(wō)的交(jiāo)替變化而變(biàn)化(huà),ex變化頻率(lǜ)就是漩渦(wō)的頻(pín)率。因此(cǐ),隻(zhī)要測(cè)出信号(hào)電(diàn)極輸(shū)出的(de)感應電勢(shì)ex,就可知道(dào)流體(tǐ)的體積流量qv。
2傳感器(qì)的(de)研(yán)制
2.1傳(chuán)感器(qì)殼(ké)體設計
(1)采用了漸(jiàn)縮測(cè)量導管經一角(jiǎo)度漸縮爲管道直徑的4/5,傳感器(qì)本體經(jīng)這樣設計後(hòu),在流量不變(biàn)的(de)條件下，流過傳感器的流(liú)速增加,管(guǎn)徑雷(léi)諾數re增加，解決了拓寬(kuān)測量下(xià)限的矛盾。從流(liú)體的連續性方程可得
 
　　式中,s爲(wèi)管道内(nèi)截(jié)面積，m2;v爲流(liú)經(jīng)管道内(nèi)截面(miàn)的(de)平均流速，m/s;s1爲流體(tǐ)流經(jīng)有漸(jiàn)縮測(cè)量導(dǎo)管的漩渦發生體處的流通截面積,m2則
 
　　上式說(shuō)明，流經傳感器的流(liú)體,流速大大增加了,在被(bèi)測量(liàng)流體的其(qí)它條件不變的(de)條件下。管徑(jìng)雷(léi)諾數數值有很(hěn)大的改變,經過(guò)計算(suàn)可将流體的雷諾(nuò)數下限(xiàn)從2x104降到(dào)2080,從而大(dà)大加(jiā)寬了電磁(cí)渦街流量計的(de)量程(chéng)比。經現場(chǎng)實驗,電(diàn)磁(cí)渦街(jiē)流量計的量(liàng)程(chéng)比爲25:1。
(2)電磁(cí)渦街(jiē)流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)漩渦發(fā)生體在(zài)三角柱的基礎(chǔ)上做(zuò)了改(gǎi)進(jìn)，将漩渦發(fā)生體迎(yíng)流面、背流(liú)面設(shè)計成和梯(tī)形柱(zhù)具有相同外接(jiē)圓的圓柱面。漩(xuán)渦發生(shēng)體(tǐ)的迎(yíng)流面設(shè)計成圓柱面，從而(ér)具有(yǒu)圓(yuán)柱型漩渦發(fā)生體st較大的(de)優點,在(zài)管(guǎn)徑和迎流面(miàn)寬度相同的條(tiáo)件(jiàn)下(xià)，流過(guò)相同體積的流(liú)體時(shí),漩渦(wō)發生(shēng)體可以産生更(gèng)多的(de)漩(xuán)禍(huò)，使渦(wō)街流量計可以測量比較小的(de)流量,拓寬了流(liú)量測量下(xià)限。
　　渦(wō)街流量(liàng)計是速度式流量計,它(tā)是以(yǐ)測量(liàng)流體(tǐ)流經管(guǎn)道的平(píng)均流速爲測量依據(jù)的(de)儀表。當(dāng)流體(tǐ)流經(jīng)漩渦(wō)發(fā)生(shēng)體時，産生(shēng)的漩渦容(róng)易(yì)受(shòu)到傳感器(qì)上遊(yóu)側局部阻力件(jiàn)的影(yǐng)響,尤其是流(liú)體流經管道産生(shēng)分布型畸變時，産生(shēng)的謙渦質(zhì)量将受到(dào)破壞(huài)，因(yīn)此(cǐ)安裝渦街流量(liàng)計時(shí)，上遊側至(zhì)少要有10d長度(dù)的直管段(一般(bān)爲(wèi)20d直管段長(zhǎng)度),下遊側要有5d長度的直(zhí)管段(duàn)。電磁(cí)渦(wō)街(jiē)流量計(jì)本(běn)體經(jīng)過上(shàng)述巧(qiǎo)妙設(shè)計後,可将上遊(yóu)側直(zhí)管段長度(dù)要求縮短(duǎn)到6d,下(xià)遊側直管段長(zhǎng)度3d。
2.2轉換(huàn)電路設(shè)計
　　電磁渦街流(liú)量計(jì)的轉換電(diàn)路的任務是把(bǎ)流量傳感(gǎn)器輸(shū)出的(de)感(gǎn)應電動(dòng)勢信号(hào)轉換成瞬時(shí)流量、累積(jī)流量和标(biāo)準頻(pín)率信号輸(shū)出。電(diàn)磁檢測的渦街(jiē)流量(liàng)計轉換電路結構框圖如(rú)圖3所示。
 
　　轉(zhuǎn)換電(diàn)路工作(zuò)過(guò)程是:被測(cè)流體流經(jīng)電磁流量傳感器,産生(shēng)漩渦,交(jiāo)替變化(huà)的漩渦(wō)推動(dòng)信号電極(jí)在磁場(chǎng)中(zhōng)切割磁力(lì)線,從而産(chǎn)生感應電勢ex,微(wēi)弱的感應電勢(shì)信号ex經前(qián)置放大、交流放大和(hé)低通(tōng)濾波,然後(hòu)由施(shī)密特(tè)獨發(fā)器整形爲(wèi)标準頻率(lǜ)脈沖,此信(xìn)号進入微處理(lǐ)器cpu,進(jìn)行各種運(yùn)算,再經(jīng)液晶顯(xiǎn)示器(qì)顯(xiǎn)示瞬時(shí)流量(liàng)、累積流量(liàng)等。爲防止儀表(biǎo)掉電，在(zài)電(diàn)路中(zhōng)設計了掉電保(bǎo)護裝置。爲降低(dī)功耗(hào),提高轉換(huàn)電路的(de)抗(kàng)幹擾(rǎo)功能(néng),轉換電路(lù)所(suǒ)有的集成電(diàn)路均(jun1)采用(yòng)微功(gōng)耗器件[2],電(diàn)源采(cǎi)用電(diàn)池供電,使(shǐ)得儀表小(xiǎo)巧美(měi)觀(guān)。其主要特點(diǎn)是:
(1)采用電(diàn)磁檢(jiǎn)測漩(xuán)渦的頻率(lǜ),避開了檢測漩(xuán)禍升(shēng)力的方法(fǎ),耐振動性好,消除了三維方向(xiàng)上的(de)振動幹擾(rǎo)，現場(chǎng)實驗也充分證明了(le)這一優(yōu)點。
(2)電磁(cí)渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器的(de)激磁(cí)裝置采用永久(jiǔ)磁(cí)鐵。轉換電路(lù)由于(yú)采用(yòng)了(le)一系列(liè)的低(dī)功耗(hào)設計方(fāng)法(fǎ),因而可采用電池供電(diàn),不需要交流(liú)電源(yuán),直接消除(chú)了因交流(liú)供電(diàn)而引入的(de)工頻(pín)幹擾，抗幹(gàn)擾能(néng)力強。
3應用(yòng)
　　由于(yú)電磁法檢(jiǎn)測漩渦頻率的(de)電磁渦街流量(liàng)計具(jù)有範(fàn)圍度(dù)寬、耗電(diàn)少、壽命長、抗(kàng)振(zhèn)性好、安(ān)裝(zhuāng)條(tiáo)件要求寬(kuān)松的(de)優點(diǎn)，因而應用(yòng)範圍(wéi)比較廣。現已經(jīng)研推(tuī)出dn15一dn200系列，dn40的測(cè)量精(jīng)度可達0.8%，可(kě)用于測(cè)量(liàng)大部(bù)分的(de)氣體、液體流量(liàng)，适(shì)用于.複(fú)雜的(de)化(huà)工(gōng)生産環境(jìng),适用溫度(dù)範圍可達-40℃~250℃,可以準确測量雷諾(nuò)數大(dà)于3000的(de)液體(tǐ)流量(liàng)。本流量計(jì)屬于無空(kōng)洞設(shè)計,具(jù)有避免肮(āng)髒介質堵塞的優點,适(shì)用于污(wū)水的(de)測量。在通(tōng)訊(xùn)方(fāng)面(miàn),本流量(liàng)計采用了hart通訊(xùn)協議(yì)，可進行遠(yuǎn)程通訊。

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