CN1168467A - 涡街式流体流量检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
利用卡曼涡街在产生和释放过程中对旋涡发生体两侧产生交替变化的压差，在旋蜗发生体两侧间开一检测通孔，并放置一球体。当交替变化的压差使通孔中的流体及球体作往复运动时，用传感器将其往复运动的频率检测出来。经简单运算即可测出流体的流量。由于将卡曼旋涡的运动变换为同频率的球体的较大振幅的直线运动。有效的克服了现有应力检测方式的流量仪表存在的“怕振”和低流速(小流量)时的不灵敏区，即测量“死区”的缺点。扩展了量程，提高了精度。增加了仪表工作范围。
Description
本发明属于流体的流量或速度的检测技术，更准确地说是属于卡曼涡街原理的流量检测方法及装置。
应用流体力学中卡曼涡街原理研究开发的涡街流量测量仪表，自八十年代初面市以来。经过不断革新完善和提高，使之成为一种具有国际先进水平的新型流量测量仪表。与其它流量仪表相比，它的特点是：
1、没有可动部件，结构牢固而简单，运行可靠，寿命长。
2、精度高，量程宽。
3、几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，适于气体、蒸气、液体的流量测量。
4、具有运算、显示、控制功能，并与计算机联网。
涡街流量仪表根据不同的检测方式，可分为：热敏式涡街流量计、压电应力式涡街流量计、差动电容式涡街流量计、超声波束式涡街流量计等，其中国内外产销量最大应用面最广的是应力检测式和差动电容检测式涡街流量计。不同的检测方式将限定它的使用范围。各种检测方式之间的差别主要是产生涡街和检测涡街频率的方法不同，这也正是涡街流量仪表技术水平进一步发展的关键和难点所在。
以下介绍典型的现有技术(参见附图1、2)—压电应力式涡街频率检测方式(或其他力敏检测方式)的工作原理和存在的缺点：
卡曼涡街原理指出，在流体前进路径中安放一个非流线型旋涡发生体，流体在发生体的两侧及后面交替地分离释放出两列规则的交错排列的旋涡，形似街道，故称涡街。在一定条件范围内旋涡的频率正比于流量。旋涡在生成和释放过程中，发生体的两侧存在着交变的压力，交变压力的频率与旋涡的频率相同。旋涡频率与流体流速成正比，与发生体迎流面宽度成反比。它们之间的关系如下式：
f＝St·(v/d) (1)式中：f-旋涡频率
v-流体流速
d-旋涡发生体迎流面宽度
St-斯特拉哈尔系数
旋涡的产生和释放对旋涡发生体两侧产生交变压力和环量力，环力使发生体内产生交变上升应力，交变的上升应力感知埋设在检体内部的敏感器件，实现了力—电变换。因为敏感器件旋涡发生体是紧密装配在一起，所以敏感器件在感知旋涡频率的同时，也无可选择地感知来自管道和流体携带的机械振动力(即噪声)。在一定情况下(比如流速低于某一数值时)旋涡上升应力与噪声应力混在一起无法分辨时，仪表就不能正常工作了，出现了检测的“死区”。所以抗振能力低和小流量不能工作成了该检测方式的缺点，这也是应力检测技术机理所不能克服的。
如上所述，现有技术的缺点主要表现在一是“怕振”，由于仪表的应用总是在与机泵及其它生产机械相联系的工况之中，所以机械振动的影响是不可避免的。而大多数“振源”的振动加速度都大于1.0g，振频在0-600Hz左右。二是由于涡街频率和涡能的大小是与流速(流量)成正比例的关系，在低流速(流量)的情况下，涡街的频率很低和涡能微弱，所以作用在旋涡发生体的环量上升应力也随之减弱，当弱到与机械干扰混在一起无法分辨时就出现了检测的“死区”。从表一中可以看出绝大多数应力式涡流量计当流体流速降至0.3米/S以下时，流量计就不能正常工作了。尽管一些厂家在电路上做了一些处理，但在实际工作中，仍然不能达到予期效果。测量下限仍然降不下来。给用户带来不少的麻烦和不便，制约了涡街流量仪表应用领域的扩展。
本发明的目的就是提供一种新的涡街频率检测方法及装置，在继承和保持涡街流量计优点的基础上，克服其“怕振”和“低流量时出现死区”的缺点，而且结构和工艺更加简单易行，使涡街式流量检测装置的量程扩大而且成本降低。
如果将旋涡的发生和释放变换成振幅足够大的另外一物体振荡，而物体的振荡对噪声又无动于衷的话，干扰就会被排除。基于这一构思，我们不再利用旋涡发生和脱落时对发生体产生的环量上升应力，而是利用涡发生和脱落时在发生体两侧产生的交变压力，在发生体两侧间开一贯通的孔道，在孔道内放置一个球体，在交变压力的作用下，孔道内流体与球体就会往复运动，运动的频率与旋涡频率相同，运动的位移与发生体宽度相当。而由管道或流体传导的干扰振动噪声是不能使球体发生位移的。这就有效地克服了振动噪声的影响。球体浮在孔道的流体之中，与孔道中流体同步，不磨损、不耗能。只要有涡街的发生，柱体两侧就会有交变的压力，孔道内就会有振幅足够大的球体振荡，很容易地实现机—电变换。
在如上所述构思的基础上，本发明提供了全新的技术解决方案，其检测涡街频率的方法就是一种涡街式流体流量检测方法，是在流体通过的管道中设置一个非流线形旋涡发生体，旋涡发生体具有一个和流体速度矢量垂直的迎流面，用以产生在旋涡发生体两侧交替地分离释放出来的两列交错排列的旋涡即涡街，用一个设置在旋涡发生体内传感器检测得到的信号通过一个检测系统检测出旋涡发生的频率，从检测得到的频率换算得到流体的速度和流量，其特征是所说的旋涡发生体的两侧面之间设置一个接近旋涡发生体迎流面的通孔，所说的通孔和所说的迎流面平行，通孔内设置一个自由悬浮的球体，当管道内的流体流动时，旋涡发生体两侧的交变压力使通孔内的球体和流体在通孔内作周期地往复运动，用所说的传感器和检测系统检测出球体的运动周期即频率，就可以换算得到流体的速度或流体的流量。
为了克服重力和流体浮力对球体运动的影响，最好使球体的密度和流体的密度相同或相接近，这时通孔的壁就不会施加给球体附加的力。此外，旋涡发生体最好是垂直设置，而通孔的轴线则是水平设置。
在如上所述构思的基础上，本发明提供了全新的技术解决方案，其检测涡街频率的装置就是一种涡街式流体流量检测装置，包括流体通过的管道，管道内设置的非流线形旋涡发生体，旋涡发生体具有一个垂直于流体流速矢量的迎流面，所说的旋涡发生体内设置有检测涡旋的频率的传感器，传感器信号通过一个检测系统检测得到旋涡发生的频率，其特征是所说的旋涡发生体的两侧之间有一个接近旋涡发生体迎流面的通孔，所说的通孔和所说的迎流面平行，通孔内有一个自由的悬浮球体，所说的传感器检测得到球体在通孔中往复运动所产生的信号，所说的信号由电缆传输到所说的检测系统，通过检测系统检测得到旋涡发生的频率，由检测得到的频率换得到流体的速度和流量，流量的信息通过显示系统显示。
以下依据附图对本发明的实施例加以详细的说明。
图1是卡曼涡街原理的剖面示意图，其中1是流体流过的管道，2是旋涡发生体，3是迎流面，4是涡街，箭头表示流体流速矢量的方向，D表示管道直径，d表示迎流面的宽度。
图2是现有技术中的应力检测式的涡街流量计的结构示意图，其中5是应力杆，6是传感器，该例中是压电晶体，7是信号电缆，垂直的箭头表示升应力，环形的箭头表示环向力。
图3是本发明的涡街式流体流量检测装置的结构示意图，其中8是通孔，9是球体。
图4是本发明选择的最佳旋涡发生体的截面图，其中L表示旋涡发生体截面的总长度，b表示矩形部分的长度，θ表示三角形部分的顶角。
图5是在15℃的水中三种发生体截面形状的斯特拉哈尔系数St试验曲线，横轴是雷诺数Re，纵轴是St系数，实线是本发明的矩形+三角形，虚线是三角形，点划线是圆柱体。
图6是本发明蜗街流量检测装置的测量精度曲线，横轴是流量Q，纵轴是误差，上面的曲线是18℃的气体，下面的曲线是16℃的水。
为了更好地控制涡街来发生，本发明还对旋涡发生体的截面形状进行了研究，从中选择了最简单的截面几何形状，即矩形加三角形，也就是旋涡发生体的截面在迎流面一端为一矩形，另一端是等边三角形。三角形的底边和矩形的长边就是迎流面的宽度d，等边三角形的顶角为θ，从三角形顶角到迎流面的长度为L，矩形的短边为b，所以等边三角形的高度就是L-b。在试验中所选择的参数对于水是d/D：0.262～0.281；L/D：0.3～0.4；θ：40～50°；通孔直径和b的比例：0.55～0.75，球体的直径稍小于通孔直径。在气体中d/D：0.12～0.28；L/D：0.12～0.4；θ：40～60°；通孔直径和b的比例：0.55～0.75。
由于球体的往复运动的幅度可以足够大，基本上可以相当于通孔的长度，也就是迎流面的宽度d，所以多种能产生电信号的传感器都可以使用，本发明中试验和使用了光电检测式、电磁感应和超声波调制式。下面分别加以说明：
光电检测式适用介质温度在-20℃～+80℃的水或轻质油品中应用。传感器是光电传感器，设置在所说的通孔当中的一个侧边，在和传感器相对的另一个侧边设置一个发光源(图中未示出)，发光源发出的光线通过所说的通孔可以被光电传感器所接收，所说的检测系统是由电路组成，所说的电路通过光电传感器信号的周期变化检测得到旋涡发生频率。实际上光电传感器可以用光敏二极管，发光源可以是发光二极管，如砷化镓可以和硅光敏二极管配套使用。球体的材料应对发光源不透明，这时信号就是周期地通断。
电磁感应式适用介质温度在-20℃～+300℃的不含铁磁物质的水、气、蒸气及油品中应用。传感器是检测磁头，设置在所说的通孔当中的一个侧边，所说的球体用磁性材料制作，磁性球体在通孔当中的往复运动所产生的磁场周期变化，可以被所说的磁头所感知，所说的检测系统是由电路组成，所说的电路通过磁头信号的周期变化检测得到旋涡发生的频率。
超声波调制式适用介质温度在-20℃～+350℃的水、蒸气、气中应用。这时传感器是超声波换能器，设置在所说的通孔当中的一个侧边，所说的检测系统包括发送器、接收器和解调器等电路，当所说的球体在通孔中往复运动时，产生超声波换能器周围超声介质的周期变化，通过接收器接收到被调制超声信号的周期变化，可以检测得到旋涡发生的频率。
本发明的涡街频率检测技术扩大了量程，尤其是扩展了下限流量(低流速)，根据流体力学中推荐的数据，稳定的涡街只有在流体的雷诺数Re为2×103～6×106范围内才能产生。经过换算在上述的雷诺数范围内管道中流体的流速应是0.058米/秒-9.8米/秒。(水)实验结果表明振球式涡街频率检测技术在上述的范围内均能正常工作。量程比可以作到1∶160，比压电应力检测方式的最低流速降低了0.25米。做到了有流必动，消除了“死区”(表一所示)。
用本发明的涡街流量计进行过机械振动干扰的试验，将仪表安装在排量400m3/小时压力4.5Mpa高压离心水泵出口端3米处、不加装任何减震措施的管路上，机泵与管道上的振动加速度为32g，振频50Hz，机泵叶轮击水振频为50-300Hz。试验结果表明，流速在0.05米/秒-9米/秒的范围内，仪表显示正常，体积流量误差均小于1.0％。
实践结果证明振球式涡街频率检测技术稳定可靠，克服了应力式、电容式、超声波束式涡街频率检测的“怕振”和低流速出现“死区”的弊端。是值得肯定和推广的一种新型涡街频率检测技术。
应用振球式涡街频率检测技术开发的涡街流量计，已试生产出近百台，在石油、化工、冶金、电力、市政等工程中试用效果良好。其结果如下：
1、运行可靠、不堵、不卡、基本上免维修。
2、精度高，适于在生产工艺过程控制系统中与计算机联网应用。
3、量程比宽，可以做到1∶160，满足了试用者的需要。
4、抗干扰能力强，可以在具有较强机械振动和电磁声干扰条件下正常工作。
5、成本合理，基本处于同类产品的平均价格，未来的用户乐于接受。
虽然本发明是以上述的实施例加以具体和详细说明的，但是本发明并不仅仅限于这些实施例，本技术领域的普通技术人员，在看过本发明说明书以后，所能想到的任何变形的涡街频率检测技术方案，只要是利用于本发明的基本构思，都应当认为是在本件专利的保护范围之内。
表一
| 涡街(旋涡)流量仪表型号国别·公司名称 | 检测方式 | 精 度％ | 量 程用流速表述米/秒 | 抗干扰能力 | 资料来源 | |
| 加速度 | 振频 | |||||
| INTEX 2500 TM(美)施伦伯杰测量公司 | 压电应力式 | 0.5-1.0 | 0.36-7.0 | 1.0g | 250Hz | 产品应用指南1994年 |
| Swingwirl II(德)恩德斯-豪斯公司 | 差动电容式 | 0.75 | 0.125-7.5 | 1.0g | 500Hz | 产品介绍TI005D/06e |
| YEWFLO(日)横河机电株式会社 | 压电应力式 | 1.0 | 0.35-7.0 | 1.0g | 50Hz | 产品说明书No.SS1-VXW100 |
| LUGB系列(中)哈尔滨华阳公司 | 压电应力式 | 1.0 | 0.38-6.0 | 0.5g | 150Hz | 产品安装使用说明书 |
| YMWL系列(中)江苏神鹰集团公司 | 压电应力式 | 1.0 | 0.5-6.0 | 2.0g | 0-250Hz | 产品使用说明书1996年 |
| LUGB--2(中)北京博斯达仪表公司 | 电容式 | 1.0 | 0.4-7.5 | 2.0g | 0.250Hz | 产品安装使用说明书1996年 |
| LUGB--21(中)杭州华强仪表公司 | 压电应力式 | 1.0 | 0.4-7.0 | 1.0g | 0.50Hz | 产品说明书1994年 |
| LUQ--1系列(中)哈尔滨恒新公司 | 振球式 | 0.5 | 0.058-9.0 | 3.2g | 600Hz | 本专利技术 |
Claims (7)
1、一种涡街式流体流量检测方法，是在流体通过的管道中设置一个非流线形旋涡发生体，旋涡发生体具有一个和流体速度矢量垂直的迎流面，用以产生在旋涡发生体两侧交替地分离释放出来的两列交错排列的旋涡即涡街，用一个设置在旋涡发生体内传感器检测得到的信号通过一个检测系统检测出旋涡发生的频率，从检测得到的频率换算得到流体的速度和流量，其特征是所说的旋涡发生体的两侧面之间设置一个接近旋涡发生体迎流面的通孔，所说的通孔和所说的迎流面平行，通孔内设置一个自由悬浮的球体，当管道内的流体流动时，旋涡发生体两侧的交变压力使通孔内的球体和流体在通孔内作周期地往复运动，用所说的传感器和检测系统检测出球体的运动周期即频率，就可以换算得到流体的速度或流体的流量。
2、如权利要求1所述的涡街式流体流量检测方法，其特征是所说的球体的密度和流体的密度相同或相接近。
3、一种涡街式流体流量检测装置，包括流体通过的管道，管道内设置的非流线形旋涡发生体，旋涡发生体具有一个垂直于流体流速矢量的迎流面，所说的旋涡发生体内设置有检测涡旋的频率的传感器，传感器信号通过一个检测系统得到旋涡发生的频率，其特征是所说的旋涡发生体的两侧之间有一个接近旋涡发生体迎流面的通孔，所说的通孔和所说的迎流面平行，通孔内有一个自由的悬浮球体，所说的传感器检测得到球体在通孔中往复运动所产生的信号，所说的信号由电缆传输的所说的检测系统，通过检测系统检测得到旋涡发生的频率，由检测得到的频率换得到流体的速度和流量，流量的信息通过显示系统显示。
4、如权利要求3所述的涡街式流体流量检测装置，其特征是所说的传感器是光电传感器，设置在所说的通孔当中的一个侧边，在和传感器相对的另一个侧边设置一个发光源，发光源发出的光线通过所说的通孔可以被光电传感器所接收，所说的检测系统是由电路组成，所说的电路通过光电传感器信号的周期变化检测得到旋涡发生的频率。
5、如权利要求3所述的涡街式流体流量检测装置，其特征是所说传感器是检测磁头，设置在所说的通孔当中的一个侧边，所说的球体用磁性材料制作，磁性球体在通孔当中的往复运动所产生的磁场周期变化，可以被所说的磁头所感知，所说的检测系统是由电路组成，所说的电路通过磁头信号的周期变化检测得到旋涡发生的频率。
6、如权利要求3所述的涡街式流体流量检测装置，其特征是所说传感器是超声波换能器，设置在所说的通孔当中的一个侧边，所说的检测系统包括发送器、接收器和解调器等电路，当所说的球体在通孔中往复运动时，产生超声波换能器周围超声介质的周期变化，通过接收器接收到被调制超声信号的周期变化，可以检测得到旋涡发生的频率。
7、如权利要求3、4、5、6之一所述的涡街式流体流量检测装置，其特征是所说的旋涡发生体的迎流面是平面，旋涡发生体的截面在迎流面一端为矩形，另一端是等边三角形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 97104006 CN1168467A (zh) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 涡街式流体流量检测方法及装置 |
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| CN1168467A true CN1168467A (zh) | 1997-12-24 |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |