CN109282862B - 一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法 - Google Patents

一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法，包括管道，其特征是：所述管道的一端内部上侧固定有旋涡发生体，所述管道的上侧设置有凹槽，所述凹槽内固定有支撑板，所述管道的上侧设置有两个圆孔，所述支撑板上固定有主传感器一和主传感器二，所述主传感器一和主传感器二分别设置在两个所述圆孔内。本发明涉及流量计领域，具体地讲，涉及一种抗振涡街传感器流体测量装置及测量方法。本发明的优点是能够完全排除振动信号的干扰，更加精确的测量流体流量。

Description

一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及流量计领域，具体地讲，涉及一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法。
背景技术
涡街流量计是一种测量流体流量的仪器。目前国内外使用的工业流量计有节流式流量计、插入式涡轮流量计、电磁流量计、测速管以及涡街流量计。节流式流量计的测量范围窄，压力损失大，能耗高；大直径节流装置的造价高、安装困难、冬季需加保温防冻措施。插入式涡轮流量计虽标定精度较高，但对介质清洁度要求苛刻，并要求经常标定，运行可靠性不高。电磁流量计仅适用于导电液体介质的测量，且大管径产品造价昂贵，难以推广。测速管虽造价低且节能，但量程比小，有结冻现象，不适于在污水和含尘气体中长期工作。美国Eeastech公司和日本横河电机公司分别推出的第一代涡街流量计，目前已具有量程比宽、压损小、精度高、复现性好、构造简单、运行可靠、气液通用、温度适应性好等突出优点。德国E－H公司、英国Kent公司、美国Foxboro公司、Fischer&Por－ter公司等都有独具特色的产品。但据公开报导所悉，这些公司目前大都只有管径小于200毫米的产品，不能用于大流量测量。随着科学技术的进步，已经具有了可以实现温压补偿以及各种集流量信号、温度和压力信号于一体的流量计，但目前的涡街流量计抗振性普遍较差，特别是在小流量时更是无法使用，且安装涡街流量计的工厂工况，都有不同程度的振动干扰存在，严重影响了涡街流量计的推广应用。目前缺少一种能够精准测量涡街信号，排除振动信号干扰的涡街流量计，此为现有技术的不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抗振型双涡街传感器流体测量装置及测量方法，避免管道的振动信号对传感器的影响，提高涡街流量计测量的精度。
本发明采用如下技术方案实现发明目的：
一种抗振型双涡街传感器流体测量装置，包括管道(4)，其特征是：所述管道(4)的一端内部上侧固定有旋涡发生体(5)，所述管道(4)上固定有支撑板(1)，所述支撑板(1)上固定有反向串接的主传感器一(3)和主传感器二(2)，所述主传感器一(3)和主传感器二(2)之间的间距为S＝(1/2+a)λ；a为0、1、2、3、4……，λ为旋涡发生体(5)切割液体形成涡街信号的波长。
作为对本技术方案的进一步限定，a优选为0。
作为对本技术方案的进一步限定，所述管道(4)的上侧设置有凹槽(6)，所述凹槽(6)内固定所述支撑板(1)，所述管道(4)的上侧设置有两个圆孔(7)，所述主传感器一(3)和主传感器二(2)分别穿过两个所述圆孔(7)，圆孔(7)的直径大于主传感器一(3)和主传感器二(2)直径。
作为对本技术方案的进一步限定，所述旋涡发生体(5)设置在所述管道(4)的液体入口一端正中间位置，所述旋涡发生体(5)将管道(4)一端分割成对称的两部分。
作为对本技术方案的进一步限定，所述主传感器一(3)负端连接所述主传感器二(2)的负端，所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的正端均连信号处理装置，所述信号处理装置连接控制器，所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的输出信号叠加后通过所述信号处理装置输送给控制器，所述控制器采用微处理器。
作为对本技术方案的进一步限定，所述信号处理装置包括与所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的正端连接的电荷放大器，所述电荷放大器连接低通滤波器，所述低通滤波器连接高通滤波器，所述高通滤波器连接可变增益放大器，所述可变增益放大器连接控制器的引脚2和引脚3，所述可变增益放大器还同时连接可控选频放大器，所述可控选频放大器连接主放大器，所述主放大器连接限幅放大器，所述限幅放大器连接施密特触发器，所述施密特触发器连接控制器的引脚85，所述控制器引脚67还连接频率隔离输出模块，所述控制器引脚78还连接低通+V/I转换器，所述控制器引脚75还连接数字通信接口，所述控制器引脚1和引脚99通过隔离模块连接电源，所述控制器的引脚83、84和87还连接键盘输入模块，所述控制器的12-35、引脚52-55、引脚55-59还连接显示模块，所述控制器的引脚95和引脚97连接可控选频放大器，所述主放大器的输出还连接所述控制器的引脚96。
一种抗振型双涡街传感器流体测量方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：将所述主传感器一(3)和主传感器二(2)间隔(1/2+a)λ安装，a为0、1、2、3、4……)；λ为旋涡发生体(5)切割液体形成旋涡的涡街信号的波长，主传感器一(3)固定靠近所述旋涡发生体(5)的位置。
步骤2：输送的液体流经所述管道(4)，所述旋涡发生体(5)切割液体，形成旋涡；
步骤3：主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到涡街信号后，主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，两者检测到的信号合并叠加后经过信号处理装置输送给控制器，主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到的两个涡街信号的频率、幅度均相同，但是相位差等于半个周期，因为主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，因此主传感器一(3)和主传感器二(2)的输出幅度信号是叠的，其幅值等于单个主传感器幅值的2倍；
步骤4：当主传感器一(3)和主传感器二(2)所在的管道(4)振动时，所产生的信号在主传感器一(3)和主传感器二(2)上的频率、幅度均相同，因反向串接，所以主传感器一(3)和主传感器二(2)输出的振动信号相互抵消，主传感器一(3)和主传感器二(2)振动信号叠加抵消后无振动信号输出，控制器根据接收的传感器一(3)和主传感器二(2)叠加后涡街信号计算液体瞬时流量和累加流量，且计算结果没有受到管道(4)振动信号的影响，故是一种抗振型双涡街传感器，计算的精确度更高。
作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤1的λ的计算过程如下：
首先根据m、D、d、f和Sr之间的函数关系计算λ的值，具体步骤如下：
m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；
D--管道表体通径；
d--旋涡发生体迎面宽度；
旋涡发生的频率为：
f--旋涡的发生频率；
U1--旋涡发生体两侧平均流速；
U--被测介质来流的平均速度即流体速度；
Sr--斯特劳哈尔数，斯特劳哈尔数是无量纲参数，它与旋涡发生体的形状及雷诺数有关，它由下式给出Sr＝f*m*d/U；
f体k·Q
k--涡街流量计的仪表系数
Q--管道内体积流量
T--漩涡的周期；
λ--漩涡的波长
当斯特劳哈尔数Sr在雷诺数＝2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，故对具体涡街流量计，管道表体通径D和旋涡发生体迎面宽度d确定后，其流体的波长λ为恒定值。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明将主传感器一和主传感器二间隔一定距离安装，输送的液体流经管道，旋涡发生体切割液体，形成旋涡，主传感器一和主传感器二检测到涡街信号后，由于主传感器一和主传感器二反向串联，两者检测到的涡街信号合并后经过电荷放大器放大后传输到处理器，当主传感器一和主传感器二受到垂直于管道的振动信号时，因为主传感器一和主传感器二高度相同且反向串接，因此主传感器一和主传感器二检测到的振动信号相互抵消，主传感器一和主传感器二振动信号叠加抵消后无振动信号输出，控制器根据接收的传感器一和主传感器二叠加后涡街信号计算液体瞬时流量和累加流量，且计算结果没有受到垂直管道的振动信号的影响，计算的精确度更高。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图一。
图2为本发明的局部立体结构示意图一。
图3为本发明的局部立体结构示意图二。
图4为本发明的主传感器二和主传感器一测量的涡街信号演示示意图。
图5为本发明的主传感器一3和主传感器二2的平面视图。
图6为本发明的原理框图。
图7为本发明的旋涡发生体的结构示意图。
图8为本发明的管道直径和旋涡发生体的迎面宽度标注示意图。
图中：1、支撑板，2、主传感器二，3、主传感器一，4、管道，5、旋涡发生体，6、凹槽，7、圆孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-图8所示，本发明包括管道4，所述管道4的一端内部上侧固定有旋涡发生体5，所述管道4上固定有支撑板1，所述支撑板1上固定有反向串接的主传感器一3和主传感器二2，所述主传感器一3和主传感器二2之间的间距为S＝(1/2+a)λ；a为0、1、2、3、4……，λ为旋涡发生体5切割液体形成旋涡的涡街信号波长。
a优选为0，所述主传感器一3和主传感器二2均采用压电陶瓷传感器，两个传感器的结构和高度均相同。
所述管道4的上侧设置有凹槽6，所述凹槽6内固定所述支撑板1，所述管道4的上侧设置有两个圆孔7，所述主传感器一3和主传感器二2分别穿过两个所述圆孔7。
所述旋涡发生体5设置在所述管道4的液体入口一端正中间位置，所述旋涡发生体5将管道4一端分割成对称的两部分。
所述主传感器一3负端连接所述主传感器二2的负端，所述主传感器一3和所述主传感器二2的正端均连信号处理装置，所述信号处理装置连接控制器，所述主传感器一3和所述主传感器二2的输出信号叠加后通过所述信号处理装置输送给控制器，所述控制器采用微处理器，优选为单片机MSP430F449IPZ。
所述信号处理装置包括与所述主传感器一3和所述主传感器二2的正端连接的电荷放大器，所述电荷放大器连接低通滤波器，所述低通滤波器连接高通滤波器，所述高通滤波器连接可变增益放大器，所述可变增益放大器连接控制器的引脚2和引脚3，所述可变增益放大器还同时连接可控选频放大器，所述可控选频放大器连接主放大器，所述主放大器连接限幅放大器，所述限幅放大器连接施密特触发器，所述施密特触发器连接控制器的引脚85，所述控制器引脚67还连接频率隔离输出模块，所述控制器引脚78还连接低通+V/I转换器，所述控制器引脚75还连接数字通信接口，所述控制器引脚1和引脚99通过隔离模块连接电源，所述控制器的引脚83、84和87还连接键盘输入模块，所述控制器的12-35、引脚52-55、引脚55-59还连接显示模块，所述控制器的引脚95和引脚97连接可控选频放大器，所述主放大器的输出还连接所述控制器的引脚96。信号处理装置对主传感器一3和主传感器二2叠加后的涡街信号进行放大、滤波处理后，再经过一系列放大处理后通过施密特触发器发送给控制器。
所述信号处理装置的所述电荷放大器对主传感器一3和主传感器二2叠加后的电荷信号进行放大，并将其转化成电压信号；所述低通滤波器起着允许信号的低频分量通过，不允许信号的高频分量通过的作用；所述起着允许信号的高频分量通过，不允许信号的低频分量通过的作用，低通滤波器的最高频率大于高通滤波器的最低频率，它们的差就是信号的带宽；所述可变增益放大器是一种放大倍数可变的放大器，根据信号的变化，控制器随时调整放大器放大倍数，可起到稳定输出信号的作用；所述可控选频放大器在不同流量情况下，控制器控制可控选频放大器选频作用，起到对叠加信号进一步滤波的作用；所述主放大器是对主传感器一3和主传感器二2叠加信号的放大倍数贡献最大的放大器，它的放大倍数最大；所述限幅放大器是对叠加信号的最大输出幅度限制在一定范围内的一种放大器；所述施密特触发器是将输入的模拟信号转换为方波信号的触发器；所述频率隔离输出模块将输出频率信号与内部的控制器和放大器起着电隔离作用的器件，保证外部的干扰信号，扰乱不到内部的控制器和放大器的正常工作；所述低通+V/I转换器是一个低通滤波器+V/I转换器件的组合，其中V/I转换器件是将电压信号转换为电流输出信号的器件。
一种抗振涡街传感器流体测量方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：将所述主传感器一3和主传感器二2间隔(1/2+a)λ安装，a为0、1、2、3、4……，λ为旋涡发生体5切割液体形成旋涡的波长，主传感器一3固定靠近所述旋涡发生体5的位置。
步骤2：输送的液体流经所述管道4，所述旋涡发生体5切割液体，形成旋涡；
步骤3：主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到涡街信号后，主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，两者检测到的信号合并叠加后经过信号处理装置输送给控制器，主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到的两个涡街信号的频率、幅度均相同，但是相位差等于半个周期，因为主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，因此主传感器一(3)和主传感器二(2)的输出幅度信号是叠的，其幅值等于单个主传感器幅值的2倍；
步骤4：当主传感器一(3)和主传感器二(2)所在的管道(4)振动时，所产生的信号在主传感器一(3)和主传感器二(2)上的频率、幅度均相同，因反向串接，所以主传感器一(3)和主传感器二(2)输出的振动信号相互抵消，主传感器一(3)和主传感器二(2)振动信号叠加抵消后无振动信号输出，控制器根据接收的传感器一(3)和主传感器二(2)叠加后涡街信号计算液体瞬时流量和累加流量，且计算结果没有受到管道(4)振动信号的影响，故是一种抗振型双涡街传感器，计算的精确度更高。
所述步骤1的λ的计算过程如下：
首先根据m、D、d、f和Sr之间的函数关系计算λ的值，具体步骤如下：
m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；
D--管道表体通径；
d--旋涡发生体迎面宽度；
旋涡发生的频率为：
f--旋涡的发生频率；
U1--旋涡发生体两侧平均流速；
U--被测介质来流的平均速度即流体速度；
Sr--斯特劳哈尔数，斯特劳哈尔数是具有特征尺寸d的某物体所产生的旋涡分离频率f与流体流速相联系的无量纲参数，它由下式给出Sr＝f*m*d/U；
f＝k·Q
k--涡街流量计的仪表系数
Q--管道内体积流量
T--漩涡的周期；
λ--漩涡的波长
当斯特劳哈尔数Sr在雷诺数＝2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，故对具体涡街流量计，管道表体通径D和旋涡发生体迎面宽度d确定后，其流体的波长λ为恒定值。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种抗振型双涡街传感器流体测量装置，包括管道(4)，其特征是：所述管道(4)的一端内部上侧固定有旋涡发生体(5)，所述管道(4)上固定有支撑板(1)，所述支撑板(1)上固定有反向串接的主传感器一(3)和主传感器二(2)，所述主传感器一(3)和主传感器二(2)之间的间距为S＝(1/2+a)λ；a为0、1、2、3、4……，λ为旋涡发生体(5)切割液体形成涡街信号的波长；
a优选为0；
所述管道(4)的上侧设置有凹槽(6)，所述凹槽(6)内固定所述支撑板(1)，所述管道(4)的上侧设置有两个圆孔(7)，所述主传感器一(3)和主传感器二(2)分别穿过两个所述圆孔(7)，圆孔(7)的直径大于主传感器一(3)和主传感器二(2)直径；
所述旋涡发生体(5)设置在所述管道(4)的液体入口一端正中间位置，所述旋涡发生体(5)将管道(4)一端分割成对称的两部分；
所述主传感器一(3)负端连接所述主传感器二(2)的负端，所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的正端均连信号处理装置，所述信号处理装置连接控制器，所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的输出信号叠加后通过所述信号处理装置输送给控制器，所述控制器采用微处理器；
所述信号处理装置包括与所述主传感器一(3)和所述主传感器二(2)的正端连接的电荷放大器，所述电荷放大器连接低通滤波器，所述低通滤波器连接高通滤波器，所述高通滤波器连接可变增益放大器，所述可变增益放大器连接控制器的引脚2和引脚3，所述可变增益放大器还同时连接可控选频放大器，所述可控选频放大器连接主放大器，所述主放大器连接限幅放大器，所述限幅放大器连接施密特触发器，所述施密特触发器连接控制器的引脚85，所述控制器引脚67还连接频率隔离输出模块，所述控制器引脚78还连接低通+V/I转换器，所述控制器引脚75还连接数字通信接口，所述控制器引脚1和引脚99通过隔离模块连接电源，所述控制器的引脚83、84和87还连接键盘输入模块，所述控制器的12-35、引脚52-55、引脚55-59还连接显示模块，所述控制器的引脚95和引脚97连接可控选频放大器，所述主放大器的输出还连接所述控制器的引脚96。
2.一种抗振型双涡街传感器流体测量方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：将主传感器一(3)和主传感器二(2)间隔(1/2+a)λ安装，a为0、1、2、3、4……；λ为旋涡发生体(5)切割液体形成旋涡的涡街信号的波长，主传感器一(3)固定靠近所述旋涡发生体(5)的位置；
步骤2：输送的液体流经管道(4)，所述旋涡发生体(5)切割液体，形成旋涡；
步骤3：主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到涡街信号后，主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，两者检测到的信号合并叠加后经过信号处理装置输送给控制器，主传感器一(3)和主传感器二(2)检测到的两个涡街信号的频率、幅度均相同，但是相位差等于半个周期，因为主传感器一(3)和主传感器二(2)反向串联，因此主传感器一(3)和主传感器二(2)的输出幅度信号是叠的，其幅值等于单个主传感器幅值的2倍；
步骤4：当主传感器一(3)和主传感器二(2)所在的管道(4)振动时，所产生的信号在主传感器一(3)和主传感器二(2)上的频率、幅度均相同，因反向串接，所以主传感器一(3)和主传感器二(2)输出的振动信号相互抵消，主传感器一(3)和主传感器二(2)振动信号叠加抵消后无振动信号输出，控制器根据接收的传感器一(3)和主传感器二(2)叠加后涡街信号计算液体瞬时流量和累加流量，且计算结果没有受到管道(4)振动信号的影响，故是一种抗振型双涡街传感器，计算的精确度更高。
3.根据权利要求2所述的抗振型双涡街传感器流体测量方法，其特征是：所述步骤1的λ的计算过程如下：
首先根据m、D、d、f和Sr之间的函数关系计算λ的值，具体步骤如下：
m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；
D--管道表体通径；
d--旋涡发生体迎面宽度；
旋涡发生的频率为：
f--旋涡的发生频率；
U1--旋涡发生体两侧平均流速；
U--被测介质来流的平均速度即流体速度；
Sr--斯特劳哈尔数，斯特劳哈尔数是无量纲参数，它与旋涡发生体的形状及雷诺数有关，它由下式给出Sr＝f*m*d/U；
f＝k·Q
k--涡街流量计的仪表系数
Q--管道内体积流量
T--漩涡的周期；
λ--漩涡的波长
当斯特劳哈尔数Sr在雷诺数＝2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，故对具体涡街流量计，管道表体通径D和旋涡发生体迎面宽度d确定后，其流体的波长λ为恒定值。
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