CN106990260A - 一种利用涡激振动的测速仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用涡激振动的测速仪及测量方法，该测速仪包括框架，所述框架上安装有一对弹簧片，在两个弹簧片之间安装有振动杆，在振动杆的一端安装有永磁体，在框架上安装有安装板，安装板上与永磁体对应位置安装有线圈，线圈与电路板连接，电路板与控制器连接。本发明的一种利用涡激振动的测速仪，整体结构简单、轻巧，在实验工程中对其它设备的影响小，制造成本低，安装方便，由于结构较小，适用范围更广；涡激振动引起的振动幅度和频率随着流速的变化在结构的阻尼、质量、刚度、边界等因素固定的情况下，存在不变的规律，用该规律对流速进行测量准确。

Description

一种利用涡激振动的测速仪及测量方法

技术领域

本发明涉及利用涡激振动的测速仪及测量方法，属于流速测量领域。

背景技术

随着人类对自然的探索，大量的未知现象等待着我们去发现和研究，而实验是探索未知世界最好的方法和手段。水占了自然界很大的空间，在水中的种种现象需要我们的研究，而海洋工程和水下工程的实施也需要大量实验进行验证，而这些水中进行的实验需要合适、精确的实验仪器作为辅助。流速是在水下进行实验的一个重要因素，目前测流速的设备通过压力以及带动可旋转的螺旋桨或杯状结构物进行测试，这类结构较复杂且结构较大，同时，随着所测流速的增加，传统的测速仪体积会越来越大，无法在小容器内进行布置。在实验室中，包括循环水槽这类环境下，传统的流速仪无法较好地进行布置，这类装置受到极大的使用限制。考虑到钝形结构物在水流等作用下会发生往复运动，称之为涡激振动，随着流速的变化，结构物的振动频率和振幅有这一定的规律，利用这种规律能够因此在此提出一种结构轻巧，能够应用于不同实验环境下的利用涡激振动的测速仪。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用涡激振动的测速仪及测量方法，整体结构简单、轻巧，在实验工程中对其它设备的影响小，制造成本低，安装方便，由于结构较小，适用范围更广。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种利用涡激振动的测速仪，包括框架，所述框架上安装有一对弹簧片，在两个弹簧片之间安装有振动杆，在振动杆的一端安装有永磁体，在框架上安装有安装板，安装板上与永磁体对应位置安装有线圈，线圈与电路板连接，电路板与控制器连接。

作为优选，所述框架为门型支架。

作为优选，所述控制器还与LED显示屏信号连接。

作为优选，所述安装板上设有线圈槽，在线圈槽内安装有线圈支架，在线圈支架上设有若干组线圈支撑孔，在线圈支撑孔内安装有线圈杆，在线圈杆上缠绕着多匝线圈。

作为优选，所述弹簧片的截面为矩形状，弹簧片插入在框架上。

作为优选，所述弹簧片和振动杆的材料为碳纤维，最大程度减小结构的质量，因为随着质量的减小，振动杆发生涡激振动时具有更大的振幅，从而保证振动时振动杆具有足够大的振幅，进而保证低流速下的测试准确性，如有必要，可在弹簧片上增加跨接横梁以提高刚度防止发生扭转。

一种上述的利用涡激振动的测速仪的测速方法，包括以下步骤：

(1)利用得到振动时程曲线y＝f(t)，其中无量纲参数y＝A_Y/D，τ＝tω_st，D为圆柱体的直径，τ为无量纲时间，ω_st为泻涡圆频率；此外，式中定义结构阻尼比ξ，无量纲频率比d＝ω_nω_st＝1(UrSt)，Ur为无量纲约化速度，St为斯特劳哈尔数，流体阻尼参数γ＝C_D/(4πSt)，C_D为拖曳力系数，无量纲质量比参数μ＝(m_s+m_a)/ρD²，质量比m^*＝4(m_s+m_f)πρD²，m_s为结构质量，m_f为附加流体质量，耦合参数M＝C_D0(4π²St²q₀ ²μ)，h为流体参数，通过振动曲线得到振动频率和振幅和流速的对应关系，制作流速的数据库；

(2)将整个装置放入到水流中，振动杆在流体作用下产生涡激振动，进一步产生感应电流；

(3)通过感应电流计算振动杆的振幅Ay和频率ω_st；

(4)根据振幅Ay和频率ω_st与数据库中匹配得到对应的流速。

在本发明中，通过利用水流通过钝状结构物会发生涡激振动这一现象，将振动杆引起的涡激振动传递给磁体，通过多个感应线圈与永磁体之间的相对运动捕获振动杆的振动频率和振幅。由于随着流速的变化，振动杆的振动幅度和频率存在一定的规律，通过电路和微处理器的分析，从数据库中提取振幅、频率和流速之间的相应关系，反推流速并将该流速及时显示在LED屏上，或通过蓝牙发回计算机进行记录。当振动杆在水流作用下发生涡激振动往复上下运动时，带动永磁体切割感应线圈模块内的多个线圈，通过电路模块内置的微计算器获取产生电流的大小和频率，进而能够进而计算出振动杆的速度和幅度，进一步通过已有流速——振动响应的数据库获取水流的速度并立刻将该数据反馈到电路模块的LED屏进行显示。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.整体结构简单、轻巧，在实验工程中对其它设备的影响小，制造成本低，安装方便。由于结构较小，适用范围更广。

2.涡激振动引起的振动幅度和频率随着流速的变化在结构的阻尼、质量、刚度、边界等因素固定的情况下，存在不变的规律，用该规律对流速进行测量准确。

附图说明

图1是本发明的整体结构爆炸示意图；

图2是本发明的支架示意图；

图3是本发明的弹簧片示意图；

图4是本发明的振动杆示意图；

图5是本发明的线圈支架示意图；

图6是本发明的感应线圈示意图；

图7是本发明的电路盒示意图；

图8是本发明的保护盖示意图；

图9为测量原理图；

图10为0.2m/s在均匀流作用下的变化曲线。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明的一种利用涡激振动的测速仪，包括支架1、弹簧片2、振动杆3、感应线圈部分4、电路部分5和保护盖6。所述支架1包括门型支架11、功能模块盒12、支撑孔13、电路槽14和感应线圈槽15。支架用于固定整个测速仪，可以用磁片或双面胶等吸附在适当的位置进行流速测定。

在本发明中，弹簧片2包括弹簧薄片21和顶端的圆孔22，弹簧薄片21与支架1的支撑孔配合固定。所述振动杆3包括振动圆柱体31和永磁体32，振动圆柱体31与弹簧片2的圆孔22配合固定。当水流通过振动杆3时，由于发生涡激振动永磁体32会随着振动圆柱体31发生上下往复运动。

在本发明中，在框架上安装有安装板，安装板上设有线圈槽，线圈槽上与永磁体对应位置安装有线圈，密封盖用于防止感应线圈部分进水，密封盖盖在线圈槽上。线圈部分4包括线圈支架41、线圈支撑孔42，线圈杆43和线圈44，多匝线圈44缠绕在线圈杆43上后，多组感应线圈支撑在对应的线圈支撑孔42上，与线圈支架一起盖上绝缘的密封盖后组成线圈部分用于感应永磁体32的运动。当永磁体32上下运动时，会切割多组线圈产生强度、频率不一致的电流。多组线圈能够保证在不同流速下均能获取振动信息，准确对流速进行测量

在本发明中，电路部分5包括电路盒51以及等大小的LED屏，LED屏四周通过胶水防水，当产生的电流传递到电路部分后，通过电路盒51中的电路板和微型处理器的分析以及数据库的反馈，可以得到相应的流速并反馈至LED屏进行显示。

在本发明中，保护盖6在装置不使用时对振动杆和弹簧片加以保护，防止振动杆表面粗糙度和弹簧片的损坏影响振动的振幅和频率，所述保护盖非必要装置，仅用于装置使用过程中的保护。电路模块、感应线圈模块以及弹簧片和振动杆的均以模块的形式存在，安装和生产方便，减少制造成本。

如图9所示，当水流通过振动杆时，会迫使振动杆发生涡激振动，产生垂直于来流方向的往复振动，并且在振动杆后方产生交替泻放的旋涡，一种上述的利用涡激振动的测速仪的测速方法，包括以下步骤：

(1)利用得到振动时程曲线y＝f(t)，其中无量纲参数y＝A_Y/D，τ＝tω_st，D为圆柱体的直径，τ为无量纲时间，ω_st为泻涡圆频率；此外，式中定义结构阻尼比ξ，无量纲频率比d＝ω_n/ω_st＝1/(UrSt)，Ur为无量纲约化速度，St为斯特劳哈尔数，流体阻尼参数γ＝C_D/(4πSt)，C_D为拖曳力系数，无量纲质量比参数μ＝(m_s+m_a)/ρD²，质量比m^*＝4(m_s+m_f)/πρD²，m_s为结构质量，m_f为附加流体质量，耦合参数M＝C_D0/(4π²St²q₀ ²μ)，h为流体参数，通过振动曲线得到振动频率和振幅和流速的对应关系，制作流速的数据库；

(2)将整个装置放入到水流中，振动杆在流体作用下产生涡激振动，进一步产生感应电流；

(3)通过感应电流计算振动杆的振幅Ay和频率ω_st；

(4)根据振幅Ay和频率ω_st与数据库中匹配得到对应的流速。

通过对这个式子在不同来流作用下进行求解，可以得到振动时程曲线，图10为0.2m/s在均匀流作用下的变化曲线，从该图的数据可以得出在这个流速下振动杆的振动幅度和频率。

通过对上述的式子在不同来流作用下进行求解，可以得到振动时程曲线，图10为0.2m/s在均匀流作用下的变化曲线，从该图的数据可以得出在这个流速下振动杆的振动幅度和频率。通过对不同流速的流速进行计算，可以得出一个全面的数据库，里面包括所有流速下振动杆在发生涡激振动时的振幅和频率。

本发明的电路部分包含上述数据库，当振动杆在发生振动产生感应电流后，微型处理器通过分析振动频率和振动幅度，可以从数据库中寻找到对应的流速，进行选取校核后，在LED显示屏上进行反馈。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用涡激振动的测速仪，其特征在于：包括框架，所述框架上安装有一对弹簧片，在两个弹簧片之间安装有振动杆，在振动杆的一端安装有永磁体，在框架上安装有安装板，安装板上与永磁体对应位置安装有线圈，线圈与电路板连接，电路板与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的利用涡激振动的测速仪，其特征在于：所述框架为门型支架。

3.根据权利要求1所述的利用涡激振动的测速仪，其特征在于：所述控制器还与LED显示屏信号连接。

4.根据权利要求1所述的利用涡激振动的测速仪，其特征在于：所述安装板上设有线圈槽，在线圈槽内安装有线圈支架，在线圈支架上设有若干组线圈支撑孔，在线圈支撑孔内安装有线圈杆，在线圈杆上缠绕着多匝线圈。

5.根据权利要求1所述的利用涡激振动的测速仪，其特征在于：所述弹簧片的截面为矩形状，弹簧片插入在框架上。

6.根据权利要求1所述的利用涡激振动的测速仪，其特征在于：所述弹簧片和振动杆的材料为碳纤维。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的利用涡激振动的测速仪的测速方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用得到振动时程曲线y＝f(t)，其中无量纲参数y＝A_Y/D，τ＝tω_st，D为圆柱体的直径，τ为无量纲时间，ω_st为泻涡圆频率；此外，式中定义结构阻尼比ξ，无量纲频率比d＝ω_n/ω_st＝1/(UrSt)，Ur为无量纲约化速度，St为斯特劳哈尔数，流体阻尼参数γ＝C_D/(4πSt)，C_D为拖曳力系数，无量纲质量比参数μ＝(m_s+m_a)/ρD²，质量比m^*＝4(m_s+m_f)/πρD²，m_s为结构质量，m_f为附加流体质量，耦合参数M＝C_D0/(4π²St²q₀ ²μ)，h为流体参数，通过振动曲线得到振动频率和振幅和流速的对应关系，制作流速的数据库；

(2)将整个装置放入到水流中，振动杆在流体作用下产生涡激振动，进一步产生感应电流；

(3)通过感应电流计算振动杆的振幅Ay和频率ω_st；

(4)根据振幅Ay和频率ω_st与数据库中匹配得到对应的流速。