CN1118623A - 具有一个阻挡体的涡流检测器 - Google Patents

Abstract

为创造涡流检测器，该涡流检测器具有在较小的涡旋分离频率变化时朝着小雷诺数方向斯特劳哈尔数扩大了恒定范围并且可在不变的容积流量与涡旋分离频率关系的范围内更准确计算斯特劳哈尔数，装上一阻挡体(1)，该阻挡体装在流体通过的具有内直径为D的测量管(2)的内壁直径两端的位置上或者固定在装入测量管内的一个框架上，该阻挡体由高为l₁、一个底宽为b₁和一个底宽为b₂的朝着入流方向的平面梯形部件以及一个高为l₂、底宽为b₃的横截面为三角形的无间隙地连接的尾流部件组成。具有下列尺寸关系：

0.1≤b₁/D≤0.35；0.6≤b₂/b₁≤0.95；0.1≤l₁/b₁≤0.2；075≤l₂/b₁≤1.5；0.5·b₂/b₁≤b₃/b₁≤b₂/b₁。粉末。

Description

具有一个阻挡体的涡流检测器

本发明涉及一种具有一个阻挡体的涡流检测器，根据卡曼的涡街原理，用阻挡体可以测量以壁为界的液体流、气体流和蒸汽流的容积流量，这些介质在下面都称为流体。

如果阻挡体放置在流体流的中间，在流体中的阻挡体的两边缘相互交替地分离出涡旋。涡旋分离的频率，即所谓的涡旋分离频率，正比于流动速度，并且由此对于以壁为界的流动正比于容积流量。

测量精度主要取决于阻挡体，尤其是它的形状，它的尺寸和它所安放位置。另外，雷诺数Re的范围以及影响测量精度的涡旋分离频率的变化也取决于阻挡体。在雷诺数Re的范围内，涡旋分离频率与容积流量的关系是恒定的，并且雷诺数Re的范围一般构成了涡流检测器的测量范围。

到目前为止，已知的涡流检测器都使用简单的基本形状的阻挡体，例如圆柱形、矩形、三角形、梯形，其中经常使用的是梯形阻挡体。

用这些形状的阻挡体当雷诺数Re≥20000时(与测量管的直径有关)，只能获得一个不变的斯特劳哈尔数的范围；斯特劳哈尔数的变化为超过1％。

已知斯特劳哈尔数S在给定阻挡体的宽度b下与涡旋分离频率f和流动速度V的关系为：s＝fb/v。

在理想的测量边界内，上述的阻挡体形状可达到下面的雷诺数的下限值Re_min，并由此获得测量范围的下限，以及涡旋分离频率f的变化σ的值：阻挡体形状                Re_min               σ％圆                        40000                 4.0矩形                      25000                 3.0三角形，面朝流入方向      21000                 1.5三角形，尖朝流入方向      28000                 2.0梯形                      25000                 1.0细长的梯形                20000                 2.0圆角梯形                  25000                 3.0T形体                     30000                 2.0梯形/梯形                 20000                 2.5

在德国专利DE—A 3916056中，只是用图表示了一种阻挡体的横截面，没有进一步的说明(参见图4)，

—该阻挡体为组合体

——由一个朝入流方向的平面梯形部件

———高度为l₁

————朝入流方向的平面的底宽为b₁

———背入流方向的平面的底宽为b₂以及

——由一个与梯形部件无间隙地连接在一起的尾流部件组成，尾流部件的横截面为三角形，高度为l₂、底宽度为b₃，

—具有下面的尺寸关系：

b₂/b₁＝0.66    (2′)

l₁/b₁＝0.20  (3′)

l₂/b₁＝0.52  (4′)

b₃/b₁＝0.19  (5′)

0.19＝b₃/b₁≤b₂/b₁＝0.66  (5″)

0.33＝b₂/2b₁≥b₃/b₁＝0.19(5)

另一些组合体通常由上述的基本形状组成，这些组合体在紊流中基本上没有扩大斯特劳哈尔数的恒定范围并且避免涡旋分离频率的扩散。

因此存在着一个问题，在前边所述的以及通常的阻挡体上，对所说的雷诺数更小的雷诺数，存在着上述测量范围的限制，并且涡旋分离频率的扩散太大。

本发明的目的在于，创造一种涡流检测器，该检测器在涡流分离频率较小扩散时，对小的雷诺数可以达到更宽的斯特劳哈尔数的恒定范围，并且对于这个更宽的恒定范围在容积流量与涡旋分离频率恒定的关系的范围中，从阻挡体的尺寸能准确计算出斯特劳哈尔数，其准确度对测量仪器来说是可接受的。

本发明采取的措施是，具有一个阻挡体的涡流检测器，

_—该阻挡体装接在流体通过的具有内直径为D的测量管的内壁直径两端的位置上或者固定在装入测量管内的一个框架上，

—该阻挡体为组合体

——由一个朝着入流方向的平面梯形部件

———高度为l₁，

———朝着入流方向的平面的底宽为b₁

———背着入流方向的平面的底宽为b₂以及

——由一个与梯形部件无间隙地连接在一起的尾流部件组成，尾流部件的横截面为三角形，高度为l₂，底宽度b₃，

—具有下面的尺寸关系：

0.1≤b₁/D≤0.35     (1)

0.6≤b₂/b≤0.95     (2)

0.1≤l₁/b₁≤0.2     (3)

0.75≤l₂/b₁≤1.5    (4)

0.5·b₂/b₁≤b₃/b₁≤b₂/b₁    (5)

在本发明具体实施之后，一个涡旋频率传感器与尾流部件成为一体，最好涡旋频率传感器表面与由流体绕流的尾流部件的面平齐地成为一体。

在进一步的实施中，这个最佳实施方式可以使用压电弯曲振荡器作涡旋频率传感器，尾流部件固定在梯形部件上的方式使得涡旋能使尾流部件运动，如已在DD—A256367中所描述的一样。

尾流部件包括压电弯曲振荡器的偏转面，该尾流部件固定在梯形部件上的方式使得弯曲振荡器能感应到由涡街流动中的压力波动引起的最小的摆幅，并且产生一个相应的压电电压作为进一步处理的测量信号。

在本发明中，阻挡体贯穿在管中心并且以阻挡体的高度(＝Z—轴)顶住整个管，或者处于所说的框架中。阻挡体由两个在流动方向上前后放置并中心轴对齐的无间隙地装在一起的部件组成。在入流面上使用一个平的窄梯形部件，该部件以机械方式固定地并且不能摆动地与管或者在大直径管上与框架连接在一起。梯形部件通过它在流动方向上逐渐变窄的横截面和它的被限定的高度l₁形成了一个流体的固定分离点。

如果梯形部件为单一阻挡体，那么它有一个在Re＝20000之上的斯特劳哈尔数的恒定范围和一个σ＜2％的扩散。这种扩散的原因在于交替地在后边缘形成的涡旋。该涡旋在发展阶段受到影响并由此导致一个不规则的分离。

因此，在根据本发明的涡流检测器上有一个与梯形部件的后边缘连接的属流部件，尾流部件的横截面在流动方向上均匀地逐渐变小，尾流部件具有三角形横截面。持续均匀的流动对于相互不干扰的涡旋分离是非常重要的，因为由此可达到在尾流部件的面边缘上形成涡旋。当在尾流部件的后边缘达到一定的涡旋大小时，就出现了同步流动，它稳定了相互交替的分离。

在本发明中，涡旋分离频率比在具有不锋利的后边缘的阻挡体上更大程度地取决于流动速度和容积流量，因为由于根据本发明前述的按上述的公式(1)至(5)的确定的尺寸、在后边缘出现与涡旋频率一起摆动的同步流动。

考虑到线性测量范围的扩大和测量精度的提高的问题，于是就产生了一个本质上改善了的容积流量一涡旋分离频率—特性。

对于本发明的测量阻挡体，可以给出一个具有更好准确性的计算模型用于计算斯特劳哈尔数，该模型是建立在考虑三维流动载面的计算阻挡体上的涡旋形成面和计算由它确定的在Z方向上涡旋几何结构的变化的基础上的。计算斯特劳哈尔数S的公式为：S＝1,723·(b₁/D)^1，29·exp[-0，282·l₂(1-0，5·b₃/b₁)/b₁]    (6)

由此可以以小于2.5％的误差计算斯特劳哈尔数。

通过本发明所取得的恒定的斯特劳哈尔数范围的扩大和涡旋分离频率扩散的减小以及对斯特劳哈尔数计算的可能性基本上扩大了涡流检测器的使用带宽。

本发明将结合附图和实施例作进一步的详述。

图1.根据本发明的阻挡体的横截面和处于管道中的位置，

图2.阻挡体的几何参数，

图3.前文中所提到的和叙述的阻挡体的横截面。

图1清楚地表示了阻挡体1在测量管2中的位置，测量管具有直径D。图1a表示x—y平面，图1b表示y—z平面。从中可以发现，阻挡体1的高度(在z—轴方向上的尺寸)设置成使管壁和阻挡体无间隙地接触。

当管直径D＞100mm时，阻挡体最好位于一个框架中，阻挡体的上边和下边要与框架无间隙地连接起来。该框架结构必须完全处在流体流之中。

图2表示了由一个梯形部件11和一个具有三角形截面的尾流部件12组成的阻挡体，该阻挡体的几何参数为：梯形部件11的高度l₁；三角的高度l₂；梯形部件的朝入流方向的底宽b₁；梯形部件的背着逆流方向的底宽b₂和三角的底宽b₃。

如果这些尺寸保持在上面的公式的界线之内，在完全形成的具有轴对称的流动载面的紊流中产生一个在雷诺数范围为7500＜Re＜350000的斯特劳哈尔数的恒定范围。在这个范围导致紊流的涡旋分离频率的扩散为＜0.75％。

图2中加点表示的区域是以前面计算的斯特劳哈尔数为基础的涡旋形成面积。

Claims (4)

1.具有一个阻挡体(1)的涡流检测器，

—该阻挡体装接在流体通过的具有内直径为D的测量管(2)的内壁直径两端的位置上或者固定在装入测量管内的一个框架上，

—该阻挡体为组合体

——由一个朝着入流方向的平面梯形部件

———高度为l₁

———朝入流方向的平面的底宽为b₁

———背入流方向的平面的底宽为b₂以及

——由一个与梯形部件无间隙地连接在一起的尾流部件组成，尾流部件的横截面为三角形，高度为l₂、底宽度为b₃，

—具有下面的尺寸关系：

0.1≤b₁/D≤0.35             (1)

0.6≤b₂/b₁≤0.95            (2)

0.1≤l₁/b₁≤0.2             (3)

0.75≤l₂/b₁≤1.5            (4)

0.5·b₂/b₁≤b₃/b₁≤b₂/b₁    (5)

2.按照权利要求1所述的涡流检测器，其特征在于，具有一个涡旋频率传感器，该传感器与尾流部件成为一体。

3.按照权利要求2所述的涡流检测器，其特征在于，在涡流检测器上，涡旋频率传感器表面平齐地与由流体绕流的尾流部件的面成为一体。

4.按照权利要求2所述的涡流检测器，其特征在于，用压电弯曲振荡器作为涡旋频率传感器，尾流部件固定在梯形部件上的方式使得涡旋能使尾流部件运动。

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