CN1673689A - 涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法及装置。在涡街流量计的旋涡发生体的下游距发生体迎流端面(1/5)D～D(D为管道内直径)之间的管壁上开两个对称于旋涡发生体的取压孔，用差压传感器测量这两点的差压，输出的管壁差压信号随着管道内旋涡的产生和脱落而变化，其中包含了旋涡频率信息，因此通过测量的管壁差压信号可以得到旋涡频率，进而获得体积流量值。在本发明提出的方法中，传感器系统独立于旋涡发生体并且位于管道外面，对管内介质的流动没有影响，维修和更换时不需要切断管流拆卸旋涡发生体，可以实现传感器在线维修和更换；具有较强的抗干扰性；可测流量下限较低；操作简便，易于实现，工作可靠。

Description

涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法及装置。

背景技术

涡街流量计属于一类新兴用于流量测量的产品，它具有适用介质广、可靠性高、测量准确度较高等突出优点，因此在工业领域中都得到了广泛的应用。旋涡频率的检测是涡街流量计的一个关键技术，现有涡街流量计旋涡频率的检测方法主要有：热丝检测法、热敏检测法、电容检测法、压电晶体检测法以及最近出现的超声波检测法。相比之下，压电晶体检测法总体效果最好，也最为常用，其它方法用得很少。但是，压电晶体检测法存在两个严重的问题，即压电晶体对管道的振动较敏感，当流体或管道及管道附近有振动时，就会产生很大的误差，甚至无法使用；其二是压电晶体长期使用的稳定性较差，特别是无法在高温下测量。为了解决上述问题，研究人员从传感器的结构形式和流量信号的分析处理等角度进行了广泛深入的研究，取得了一些的成果，但是都难以从根本上予以解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法及装置。

涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法：是在涡街流量计的旋涡发生体的下游距发生体迎流端面

之间的管壁上开两个对称于旋涡发生体的取压孔，通过差压传感器测量的管壁差压信号，用差压传感器测量管壁处的差压，信号经过放大器再接整形检波电路或利用快速傅立叶变换得到旋涡频率。

涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置：它具有测量管段，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面 之间的测量管段上开有两个对称于测量管段轴线的取压孔，在两个对称于测量管段轴线的取压孔之间接有差压传感器，差压传感器之后接有放大器，放大器之后接有整形检波电路。

在本发明提出的方法中，传感器系统独立于旋涡发生体并且位于管道外面，对管内介质的流动没有影响，维修和更换时不需要切断管流拆卸旋涡发生体，可以实现传感器在线维修和更换；具有较强的抗干扰性；可测流量下限较低；操作简便，易于实现，工作可靠。

附图说明

图1(a)是涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置结构示意图；

图1(b)是涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置结构侧视图；

图2是本发明涡街流量计的旋涡发生体横截面示意图；

图3是本发明实验取压孔的分布示意图；

图4(a)是本发明在空气测量介质时的管壁差压信号示意图；

图4(b)是本发明在水测量介质时的管壁差压信号示意图；

图5(a)是本发明在空气测量介质时的斯特劳哈尔数St与雷诺数Re_D关系示意图；

图5(b)是本发明在水测量介质时的斯特劳哈尔数St与雷诺数Re_D关系示意图；

图6(a)是本发明在空气测量介质时的管壁差压幅值与流量关系示意图；

图6(b)是本发明在水测量介质时的管壁差压幅值与流量关系示意图。

具体实施方式

根据流体力学原理，在涡街流量计中，有旋涡产生的地方必有压力的变化，交替产生的旋涡必然会导致附近流场的压力出现规则的变化，其变化的频率与旋涡的频率一一对应，所以可以通过检测发生体尾流中某确定的两点间的波动差压来测量旋涡频率，从而实现体积流量的测量。由于发生体两侧对称点上的相位差为180°且振动幅度和频率相等，所以将差压取压位置选取在管壁上旋涡发生体的对称点更利于检测。

如图1所示，涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置具有测量管段1，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体4，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面

(D为管道内直径)之间的测量管段1上开有两个对称于旋涡发生体的取压孔2，在两个对称于测量管段轴线的取压孔之间接有差压传感器3，差压传感器3之后接有放大器5，放大器5之后接有整形检波电路6。旋涡发生体4的横截面形状为梯形，旋涡发生体4的迎流面宽度与测量管段内径之比为0.20～0.33。测量管段内径为25～250mm。对于50mm内径测量管段，旋涡发生体4的迎流面宽度为12～16mm，背流面宽度为2～5mm，总长度为15～20mm，侧面斜边长度为14～25mm。

差压传感器3采用Honeywell公司的24PCB型差压传感器，它的性能参数为：10.0±0.01VDC供电，量程5psi(34kPa)，重复性0.15％，反应时间1.0ms，输入阻抗5.0kΩ，输出阻抗5.0kΩ，重量2g，工作环境温度-40℃～85℃。

放大器5采用的是AD620芯片，它的性能参数为：增益范围1～1000，±2.3V～±18V供电，低耗电量1.3mA，温度漂移0.6μV/℃。

整形检波电路6的作用是将正弦波输入变换成有一定负载能力的矩形电压脉冲信号。

快速傅立叶变换(FFT)是一种谱分析方法，它将时域信号转换到频域，以方便提取出涡街频率值。其原理如下：如果把时间历程x(t)限制在时间区间(0，T)内，频率f处的功率谱密度函数的原始估计为

$G_x\left(f\right)=\frac{2}{T}{\left|X_n(f,T)\right|}^2,T=\mathrm{N\Δt}$

若有限的离散傅立叶变换为

$X(f,T)=\mathrm{\Δt}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\exp (-j2\mathrm{\πfk\Δt}),x_k=x\left(\mathrm{k\τ}\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1.$

FFT离散频率值为

$f_n=\frac{n}{\mathrm{N\Δt}},n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,N-1$

则功率谱为

$G_x\left(f\right)={\left|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{k}_k\exp (-j\frac{2\mathrm{\πnk}}{N})\right|}^2,n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,N/2.$

在管内流动介质分别为水和空气的情况下均进行了实验，管道的内直径D＝50mm，旋涡发生体的横截面近似为梯形，迎流面宽度d＝14mm，具体形状和其他参数如图2所示。管壁差压的取压孔选择在发生体后的三对不同位置a、b、c，它们分别位于距发生体迎流面 D的下游，如图3所示。取压孔的直径为2mm，两根引压管的长度均为20cm，差压传感器为Honeywell公司的24PC型，放大器采用的是AD620型。差压频率通过快速傅立叶变换求得。图4给出了不同流量下

处管壁差压的原始信号，它们随着旋涡的产生和脱落而波动。

1.斯特劳哈尔数

不同流动介质、不同取压位置的St与Re_D的对应关系如图5所示。各种情况的St基本上保持为常数，且它们的值均相等，约为0.253。

2.仪表系数

不同流动介质、不同取压位置的仪表系数列于表1，它们之间的最大相对误差小于1％。

       表1 仪表系数(Hz·h·m^-3)

流动介质	位置1	位置2	位置3
				水	2.5559	2.5540	2.5630
空气	2.5674	2.5679	2.5686

3.最小可测流速

各种情况的最小可测流速及常规涡街流量计的测量下限列于表2，在旋涡发生体后的一定范围内，越靠近发生体，旋涡的旋度越强，测量的灵敏度越高，不论是水还是空气，最小可测流量都是随取压位置的后移而增大。当测量水时，位置a的测量下限仅为常规表的52％；当测量空气时，位置a的测量下限为常规表的75％，因此采用管壁差压法能有效地扩展涡街流量计的测量下限；并且将取压位置适当靠近发生体能进一步降低测量下限。

        表2 最小可测流速(m·s^-1)

流动介质	位置1	位置2	位置3	常规表*
					水	0.22	0.35	0.49	0.42
空气	2.78	2.92	4.32	3.70

^*常规表数据引自“梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京：机械工业出版社，2002”

4.引压管对测量的影响

定义管壁差压平均幅值 p_max为

${\stackrel{\‾}{p}}_{\max }=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\max }\left(i\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\min }\left(i\right)}{2N}$

式中p_max(i)、p_min(i)分别为第i个旋涡周期内管壁差压的最大值和最小值；N为检测的总周期数。 p_max值反映了旋涡强度的大小，应随流量的增加而增大。

实验 p_max与q的关系如图6所示，图6(a)中给出的是流动介质为空气时，从三对不同取压位置测量的 p_max随q的分布情况，可见三条曲线均随q的增加而单调递增，较好地符合了理论预测；图6(b)中所示的是流动介质为水时的情况，三条曲线的形状相似，当q＜83m³·h^-1， p_max随流量的增加而增大，在q＝83m³·h^-1附近取得极大值，当q＞83m³·h^-1， p_max不再随流量的增加而增大，而是急剧下降直至q＞120m³·h^-1后逐渐平缓递增。

这是由于较低的引压管固有频率阻碍了测压系统对动态管壁差压的响应，从而造成较大的测量误差，与理论关系不符。但是，根据前面的分析可以看出，管壁差压幅值的误差并没有影响频率的测量，对St和仪表系数的影响甚小，也即流量的测量几乎不会受影响；

根据以上原理和实验结果，可知通过该方法能准确方便的测出流量值。

Claims (5)

1、一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测方法，其特征在于：在涡街流量计的旋涡发生体的下游距发生体迎流端面 之间的管壁上开两个对称于旋涡发生体的取压孔，用差压传感器测量管壁处的差压，信号经过放大器和整形检波电路或利用快速傅立叶变换得到旋涡频率。

2、一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置，其特征在于：它具有测量管段(1)，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体(4)，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面 之间的测量管段(1)上开有两个对称于测量管段轴线的取压孔(2)，在两个对称于测量管段轴线的取压孔之间接有差压传感器(3)，差压传感器(3)之后接有放大器(5)，放大器(5)之后接有整形检波电路(6)。

3、根据权利要求2所述的一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置，其特征在于：所述的旋涡发生体(4)的横截面形状为梯形，旋涡发生体(4)的迎流面宽度与测量管段内径之比为0.20～0.33。

4、根据权利要求2所述的一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置，其特征在于：所述的测量管段内径为25～250mm。

5、根据权利要求2所述的一种涡街流量计的管壁差压式旋涡频率检测装置，其特征在于：对于50mm内径的测量管段，所述的旋涡发生体(4)的迎流面宽度为12～16mm，背流面宽度为2～5mm，总长度为15～20mm，侧面斜边长度为14～25mm。

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