摘要:傳統的渦(wo)街流量計
對管(guan)徑雷諾數Rep<104時的(de)流量不能測量(liang),且儀表的耐展(zhan)👈性差,遇到🏃🏻安裝(zhuang)地點晨動或管(guan)道振動的場合(he),則測☁️量結果經(jing)常失真，不🌈能保(bǎo)🚶證準确,并且儀(yí)表的安裝條件(jian)苛刻。文中介紹(shao)了基于電⚽磁檢(jiǎn)測💃法的電礅渦(wō)💘街流量計的原(yuan)理、設計及如何(he)克服上述缺點(dian)的舉🌈措。
自從1969年(nián)第一台渦街流(liú)量計問世以來(lái),由于可以測量(liang)氣體、液🎯體和蒸(zhēng)汽的流量,而且(qie)結構簡單、範圍(wéi)度⛱️寬、壓力損失(shī)低、輸出👉信号和(he)流量呈線性關(guān)系、價格适中,使(shǐ)🤩得渦街流量計(ji)的發展異常迅(xùn)速,市場占有🌈率(lü)上升到流量儀(yi)表🛀🏻的10%以上。渦街(jie)流量計在工業(ye)應用中仍然存(cun)在以下問題:
(1)抗(kàng)幹擾性差,尤其(qi)對管道振動敏(mǐn)感,影響測量結(jie)果👣;
(2)渦街流量計(jì)是速度式儀表(biao),流體在管道流(liu)動時的⛱️分布畸(ji)變會影響漩渦(wo)的形式，要求在(zai)流量計的上遊(you)至🚶少安裝10D(D爲管(guǎn)道🔱直徑🍉)長度的(de)直管段，下遊則(ze)有5D的直管段;
(3)測(cè)量時,被測流體(tǐ)必須滿足Rep≥2X104才能(néng)産生穩定的漩(xuán)禍。
1測量原理
如(ru)圖1所示，電磁渦(wo)街流量計由二(er)部分組成:轉換(huan)顯示🏃♀️電路(上部(bù))和流量傳感器(qi)(下部)。流量傳感(gǎn)器主要由漩渦(wo)發生體、信号⛱️電(diàn)極、永久磁鐵、殼(ke)體組成。渦街流(liú)量傳感器的工(gong)作原🈲理如圖2所(suo)示。
被測流體流(liú)經漩渦發生體(ti)時，當流量增大(da)到一定❄️程度時(shí),流體會在漩渦(wo)發生體兩側産(chǎn)生交替變化的(de)兩列漩渦。當兩(liǎng)列漩渦的距離(li)h滿足公式h=1.3b時,産(chan)生的漩渦是穩(wen)定的。單列漩渦(wō)的頻率和流體(tǐ)流速之間呈下(xià)列關系:
式中,v1爲(wei)漩渦發生體兩(liǎng)側平均流速,m/s;b爲(wei)漩渦發生體迎(yíng)流面✊的最大寬(kuan)度,m;St爲斯特勞哈(hā)爾數,當雷諾數(shù)ReD≥2X104,漩渦發生體和(he)管🐉徑尺寸确🔞定(ding)後,是一常數。将(jiāng)式(1)整理得
當渦(wo)街流量計的柱(zhù)寬比b/D=0.28時，經計算(suan)漩渦發生體兩(liang)側💞的流通面積(ji)S1爲
由式(4)知，對于(yu)已确定口徑的(de)流量計,b、D固定。在(zài)一定的流⛹🏻♀️量範(fàn)圍内🐆St是常數,所(suo)以K爲一常數;則(ze)單列漩渦的頻(pín)率ƒ和流量qv成正(zheng)比，隻要檢測出(chū)漩渦的頻率數(shù)就可以知道被(bèi)測流體的流量(liang)大小。
由圖1可以(yi)看出,在滿渦發(fā)生體的下遊有(yǒu)--處在磁場中💰心(xin)的電極,振動漩(xuan)渦列向下遊移(yi)動時作用于信(xin)号電💔極上☂️,使信(xìn)号電極産生和(hé)漩渦頻率相同(tong)頻率的振動。由(you)電磁感應定⛱️律(lǜ),信号電極在磁(ci)場中作切割磁(cí)力線⭕運動,信号(hao)電極會産生感(gǎn)應電❌動勢。
式中(zhōng),Ex爲感應電動勢(shì),V;B爲磁感應強度(du),T;d爲信号電極直(zhi)徑,m;V2爲信号電🤞極(jí)切割磁力線速(su)度,m/s。
流體流經漩(xuán)渦發生體産生(shēng)交替變化的遊(yóu)渦,湔渦作用于(yu)信号🌈電極.上産(chan)生感應電勢Er,其(qi)極性也随漩渦(wō)的交替💋變化而(er)變化,Ex變化頻率(lü)就是漩渦的頻(pín)率㊙️。因此,隻🛀要測(ce)出信号電🍉極輸(shu)出的感應電勢(shì)Ex,就可知道流體(ti)的體積流量🌈qv。
2傳(chuan)感器的研制
2.1傳(chuan)感器殼體設計(ji)
(1)采用了漸縮測(ce)量導管經一角(jiǎo)度漸縮爲管道(dao)直徑的4/5,傳感器(qi)本體經這樣設(she)計後,在流量不(bu)變的條件下，流(liú)過傳感器的流(liú)速增加,管徑雷(lei)諾數Re增加，解決(jue)了拓寬測量下(xià)限的矛盾。從流(liu)體的連續性方(fang)程可得
式中,S爲(wei)管道内截面積(jī)，m2;v爲流經管道内(nei)截面的平均流(liu)速，m/s;S1爲流體流經(jīng)有漸縮測量導(dǎo)管的漩渦發生(shēng)體處的流通截(jie)面積,m2則
上式說(shuo)明，流經傳感器(qi)的流體,流速大(da)大增加了,在❗被(bei)測量流🔴體的其(qi)它條件不變的(de)條件下。管徑雷(léi)諾數數值有很(hěn)大🌈的改💯變,經👨❤️👨過(guo)計算可将流體(tǐ)的雷諾數下限(xian)從2X104降到2080,從而大(dà)🐅大加寬了電磁(ci)渦街流量計的(de)量程比。經現場(chang)實驗,電磁渦街(jie)流量計的量程(chéng)比爲25:1。
(2)電磁渦街(jiē)流量傳感器的(de)漩渦發生體在(zài)三角柱的基礎(chǔ)上做了改進，将(jiāng)漩渦發生體迎(yíng)流面、背流面設(she)計成和梯🏒形柱(zhù)具有相同外接(jie)圓的圓柱面。漩(xuán)渦發生體的迎(ying)流面🆚設計成🌈圓(yuan)柱面，從而具有(you)圓柱型漩渦發(fa)生體St較大的優(you)點,在管徑和迎(yíng)流面寬度相同(tóng)的條件下，流過(guo)相同體積的流(liú)體時,漩💚渦發生(sheng)體可以産生更(geng)多的漩禍，使渦(wo)街流🐕量計可以(yi)測量比較💋小的(de)流量,拓寬了流(liú)量測🤟量下限。
渦(wo)街流量計是速(su)度式流量計,它(ta)是以測量流體(tǐ)流⭐經管道的平(píng)均流速爲測量(liang)依據的儀表。當(dāng)流體流經漩渦(wo)發生體📐時，産生(sheng)的♈漩渦容易受(shòu)到傳感器上遊(you)側局部阻力件(jian)的影響,尤其是(shì)流體📧流經管道(dào)産生分布型畸(ji)變時，産💚生的謙(qiān)渦質量将受到(dào)破壞，因此安裝(zhuang)渦街流量計時(shí)，上遊側至少要(yao)💰有10D長度的直管(guǎn)段(一般爲20D直🚶管(guǎn)段長度),下遊側(ce)要有5D長度的💛直(zhi)管段。電磁渦街(jie)流量‼️計本體經(jīng)過上述巧妙設(she)計後,可将上遊(you)側直管段長💔度(du)要求縮短到6D,下(xia)遊側直管段長(zhǎng)度3D。
2.2轉換電路設(shè)計
電磁渦街流(liú)量計的轉換電(diàn)路的任務是把(bǎ)流量傳感器輸(shu)出的感應電動(dòng)勢信号轉換成(chéng)瞬時流量、累🈲積(ji)流👨❤️👨量和标準頻(pín)率㊙️信号輸出。電(dian)磁檢測的渦街(jiē)流量計轉💜換電(dian)路結構框圖如(rú)圖3所示。
轉換電(diàn)路工作過程是(shì):被測流體流經(jing)電磁流量傳感(gǎn)🐕器,産生漩渦,交(jiao)替變化的漩渦(wo)推動信号電極(ji)在磁場中切🐪割(gē)磁力線,從而産(chan)生感應電勢Ex,微(wei)弱的感應電勢(shì)信号Ex經前置放(fang)大、交流放大和(he)😄低通濾波,然後(hou)由施密特獨發(fa)器整形爲标準(zhǔn)頻率脈沖,此信(xin)号🎯進入微處理(lǐ)⭐器CPU,進行各種運(yun)算,再經液晶顯(xian)示器顯🌈示瞬時(shí)流量、累積流量(liàng)等。爲防止儀表(biǎo)掉電，在電路中(zhōng)設計了掉電保(bao)護裝置。爲降低(dī)功耗,提高轉換(huàn)電路☁️的抗幹擾(rao)功能,轉換電路(lù)所有的集成電(diàn)路均采用微功(gōng)耗器件[2],電源采(cǎi)用電池供電,使(shǐ)得儀表小巧美(měi)觀。其主要特點(diǎn)⛹🏻♀️是:
(1)采用電磁檢(jiǎn)測漩渦的頻率(lǜ),避開了檢測漩(xuan)禍升力的🌏方法(fa),耐✏️振動性好,消(xiao)除了三維方向(xiang)上的振動幹擾(rao)，現⭐場實驗也充(chōng)分證明了這一(yī)優點。
(2)電磁渦街(jie)流量傳感器的(de)激磁裝置采用(yòng)永久磁鐵。轉換(huan)電路由于采用(yòng)了一系列的低(dī)功耗設計方法(fa),因而可采用電(diàn)池供電,不需要(yao)交流電源,直接(jiē)消除了因交流(liu)供電而引入的(de)工頻幹擾，抗幹(gan)擾能力強。
3應用(yòng)
由于電磁法檢(jiǎn)測漩渦頻率的(de)電磁渦街流量(liang)計具有範🌈圍度(du)寬、耗電少、壽命(mìng)長、抗振性好、安(ān)裝條件要🤩求寬(kuān)松的優點，因而(er)🙇♀️應用範圍比較(jiào)廣。現已經研推(tui)🐪出DN15一DN200系列，DN40的測(cè)量精度可達0.8%，可(kě)用于測量大部(bù)分的氣體、液體(tǐ)流量，适用于.複(fu)雜的🈲化工生産(chǎn)環境,适用🔞溫度(dù)範圍可♈達-40℃~250℃,可以(yǐ)準确測量雷諾(nuo)數大于3000的液體(ti)流量。本流量計(ji)屬于無空洞設(shè)計,具有避免肮(ang)髒介質堵塞的(de)優點,适用于污(wū)水的測量。在通(tong)訊方面,本流量(liàng)計采用了HART通訊(xun)協議，可進行遠(yuan)程通訊。
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