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横河涡街流量计测量原理
测量原理
将柱状物体插入流体中,在物体下游就会产生旋涡,一般能够产生两列旋涡。单位时间内产生的旋涡数量(称为旋涡频率)在一定条件下与流速成正比,于是就可以从旋涡频率的变化中测出流速或流量。
这种旋涡列以研究旋涡列的稳定性而著称的物理学家冯·卡门(Theodor VonKarman 美国,1881-1963,出生于匈牙利)的名字命名,称为卡门涡街。
涡街流量计便是应用了以上原理,于1970年开发的一种新式工业用流量计。此后又经过多次的技术改良,如今已经具有很强的通用性,主要用于测量液体、气体以及蒸汽的流量,在很多领域得到广泛使用。
涡街流量计工作原理图
如果把旋涡频率设为f,把旋涡发生体与流体迎面接触宽度设为d,把流速设为υ,则三者关系如下:
St被称为斯特劳哈尔数(Strouhal Number),是由旋涡发生体的形状和尺寸决定的无量纲参数。
当将旋涡发生体分割成适当的形状时,在广泛的雷诺数(Reynolds Number)范围内,斯特劳哈尔数(Strouhal Number)可视为常数,这样就不受流体的密度与黏度等影响,旋涡频率f就与流速υ成正比。
式(1)也适用于管道中的流体,通过测量旋涡频率f,以及管道的横截面积和流速v,可以测量流量Q。
梯形横截面旋涡发生体的斯特劳哈尔数(Strouhal Number)与雷诺数(Reynolds Number)的关系如下图所示:
检测旋涡频率的工作方式有: 通过安装在旋涡发生体上的压电元件检测;测量旋涡发生体侧面交替产生的压差;使用压电元件与超声波传感器检测旋涡发生体底层的旋涡列数。
将旋涡检测用压电元件嵌入旋涡检测敏感的位置,将极性相反的噪声检测用压电元件嵌入到旋涡发生体中。在变换部分将两个元件的信号进行叠加,就可以抵消配管振动等所引发的噪声,从而获得稳定的旋涡信号。
涡街流量计的检测部分示例
两个压电元件产生的交流电荷由各充电转换器转换成交流电压。这些电压经过加法器抵消了电路振动引起的噪声,然后通过低通滤波器,进入施密特触发电路。施密特触发电路的输出就变成了与旋涡发生频率相对应的脉冲序列。这些脉冲序列通过变压器T2进入F/V转换器转换成电压后,由直流放大器与功率晶体管Q1输出4-20mA的电流。
涡街流量计的转换部分示例
超声波式
利用超声波探头检测旋涡,如下图所示,将超声波的信号发射装置和信号接收装置安装在配管的外侧,超声波在旋涡中传播,接收信号波形的位相就会发生变化。检测出该位相变化值,从而测量出不含气泡的液体的流量。
这种方式有以下几个优点:
超声波式旋涡检测
特点
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