CN86101627A - 低雷诺数下流量的涡街检测法及其变送器 - Google Patents

Abstract

本发明属流量测量技术领域。是一种能在低雷诺数(Re>400)条件下，用卡门涡街效应测量流量的方法，及据此而制造的低——高雷诺数涡街流量变送器和流量计。

本发明率先采用了整流器及可在宽量程内避免高频或低频干扰的电路设计。一个实施例的测量范围(对空气)为5～300升/分，精度1.5级，五位数字显示，最小读值为0.01，可选择显示瞬时或累计流量与时间。成本为同量程其他型数字流量变送器的1/5～1/10。

Description

本发明属流量测量技术领域。

涡街流量计是一种综合技术性能较好的流量计，它具有精度高（仅次于容积式流量计）、阻力小、量程宽，无运动部件，不受介质温度和压力的影响等性能，因而应用广泛，特别是在现代测量和控制中，越来越多地要求使用数字化仪器与计算机，很需要直接以数字量输出的传感器。涡街流量传感器正具备这样的特点。由于在低雷诺数（Re）条件下，管内流体流速分布不均匀使旋涡分离频率的输出线性变差;旋涡强度同流速的平方成正比，Re减小旋涡强度急剧减小，这使旋涡检测器的灵敏度显得不够;Re减小还使旋涡的产生变得不稳定。所以国内外的涡街流量计一般都要求工作在Re＞5000的条件下，至今尚无可供实用的测量低雷诺数条件下流量用的涡街流量计。

对于测量中小流量的涡街流量计，由于要分别配有流量积算器，增加了产品的单位成本，也限制了涡街流量计的应用。

1978年《计测自动制御学会论文集》，VOl    14，№2，发表了高本与小宫的论文-《低レイノルズ数领域にずはゐ涡流速计の特性の改善》，文中描述的一种装置是由两个圆柱串联安装，将下游检测柱检测到的旋涡信号放大后以气流形式反馈到上游的旋涡发生体，在这个旋涡发生体中开有窄缝，反馈气流由窄缝进出，从而使旋涡发生体沿长度方向上各点分离的旋涡同步。这种装置初步解决了一般涡街流量变送器在低雷诺数条件下使用时信号微弱，不稳和难以检测的问题，但此种结构的装置存在以下缺点：1.旋涡信号的相位不易精确测量;2.反馈气流的相位不易精确控制;3.测量控制电路和结构复杂;4.电路元件参数的变化会影响测量精度。因此至今尚无应用该法制成的能供实用的传感器问世。

本发明的目的在于提供低雷诺数条件下流量的涡街检测的新测量方法，以解决已有技术中存在的缺点，扩大涡街检测法的应用范围，将涡街流量计的量程扩展到中小流量领域，并使制成的涡街流量计实用而又成本低廉。

本发明是一种能在低雷诺数（Re＞400）条件下，用检测卡门涡街现象所产生的旋涡频率来测量流量的方法，或利用本检测方法的原理制成的低-高雷诺数涡街流量变送器系列，或利用本变送器制成量程扩展到中小流量的涡街流量计。现将发明内容分述于后：

一、低雷诺数条件下流量的涡街检测法

本发明的低雷诺数下流量的涡街检测法中，为解决低雷诺数条件下存在的旋涡信号微弱、不稳定，难以检测等问题，率先在流量管中应用了整流器，使到达旋涡发生体的流体流线平直，不被扰动，流速分布均匀，从而大大改善了信号质量，包括幅度增大，稳定性提高和低频干扰减小等。

为解决低雷诺数条件下，频率-流量特性的线性化问题，本发明应用了整流器和能与定时减数电路（见下述）具有最佳配合性能的倒梯形（即梯形长底边朝向来流方向）断面形状的柱状旋涡发生体，如此使流体流速分布均匀化，旋涡分离点固定，还减轻了旋涡信号的低频摆动，如图一、二、三所示。图一是Re＝600时，由两圆柱体串联安装的旋涡发生体发出的信号波形，由图中可见信号不稳，在雷诺数增大时低频摆动明显，输出线性也不好。图二是Re＝600时，由倒梯形旋涡发生体发出的信号波形，由于无整流网，受到梯形柱所产生的强烈旋涡的影响，使柱前的来流受到扰动，流体在旋涡发生体各处的流速差别变大，旋涡信号的相位或提前或滞后或抵消，使信号变得微弱而又不规则。图三是Re＝460时，由筛网与倒梯形旋涡发生体组成的系统所发出的信号波形。本发明采取了最后一种系统，再配以定时减数电路，实现了频率-流量特性线性化。在量程比1∶10的范围内（Re＞800）非线性误差不大于±1%，若允许非线性误差不大于1.5%时，量程比可达1∶30（Re＞500）。

当流量积算和显示采用微处理机时（其投资低于小规模集成电路构成的计数电路），可充分利用微处理机的多种功能实现数字线性化。进一步提高测量精度和扩大量程比。本发明中采用通用的传感器数字线性化算法-“三点校正法”，以频率为自变量，流量与频率的比值为因变量来表征频率-流量的关系。这样在低雷诺数或高雷诺数条件下都可得到较好的近似程度。

在流量的涡街检测法中，得到的信号除有用的旋涡信号外，还伴随着高频和低频干扰信号，特别是低频干扰信号会随着旋涡信号变化，它的频率为旋涡信号的五分之一到十分之一，故须对信号进行高通滤波，当流量大幅度变化时，就必须使高通滤波器的截频点f。跟着变化，这就使电路复杂化，调整麻烦。为简化电路，本发明采用具有一定滞后特性的峰（谷）点检测法来检测旋涡信号频率，其原理如图四，当电容器上的电压达 (dv)/(dt) ＝0时，比较器翻转，给另一个电容放电，并给出计数信号。这样的电路有效地避免了低频干扰的影响。同时由于电容C与它前面的电阻R组成积分电路，二极管还有一个正向管压降，使其他形式的干扰也能避免。只要信号波形大体是完整的，其峰峰值＞1v，就能检测出来，即使干扰幅度明显大于信号幅度也无妨。电路对元件的参数要求低，安装时无需调整。可适合的量程比很宽，达1∶40以上，从而解决了上述问题。

有关本方法中采用的各个元件结构，参数及其配置详见下节二的低-高雷诺数涡街流量变送器系列所述。

二、低-高雷诺数涡街流量变送器系列

本发明中低-高雷诺数涡街流量变送器系列（以下简称“本系列”）是根据本发明内容之一的“低雷诺数条件下流量的涡街检测法”之原理设设计制成。

本系列构造示意图如图五所示。流量测量管1是内壁光滑的具有一定直线长度的矩形管或圆形管，它们的流量-频率输出特性不同。在测量管内的上游侧设置了整流器2。整流器是一层或两层网目为100～500孔/厘米²的筛网，它遮住管道全断面。一般地说层数或网目增加在低雷诺数条件下更易得到稳定的旋涡，但过多的层数或过细的网孔并不必要，徒然增加阻力。在易发生堵塞的场合应采用较大孔的网。筛网可以是金属或塑料网或其他材质的筛网。目的是使旋涡发生体长度方向上各点来流的流速均匀化，并消除气流中的紊流扰动分量，使分离的旋涡同步。这样可简化低雷诺数涡街流量变送器的结构，提高测量精度。在整流器下游设旋涡发生体3，它是一种能使旋涡分离点固定的柱状体，其断面是对称形的各种几何形状。各种简单形状的断面以倒梯形（即梯形的长底朝来流方向）产生的旋涡信号稳定，幅度大，与定时减数电路配合能得到较好的线性输出。旋涡发生体与整流器之间的距离约为0～3倍旋涡发生体的宽度，最终应根据旋涡发生体上旋涡分离点的位置以及旋涡强度确定。旋涡发生体的下游有旋涡检测装置，它由带有对称窗口4的圆管状保护罩5和保护罩中的旋涡检测元件6组成。保护罩上的窗口朝向，应与流量管的轴线呈15°～75°的夹角。保护罩与旋涡发生体的距离为3.5～5.5倍旋涡发生体的宽度，这两者在管道内都居中布置，它们的长轴方向应与管道横剖面中心线一致，并同处于管道的同一纵剖面上。

本系列的电路设计考虑到（1）旋涡发生体上产生的旋涡强度随流量的减小而呈平方律减小，在小流量时旋涡强度很小，不能用应力式传感元件;（2）小型设备应成本低廉;（3）能适应大量程比的要求。故旋涡检测元件采用热丝。它成本低、灵敏度高，反应时间常数小，输出阻抗小，不易引入干扰。热丝较短又有外壳保护，在振打，大气流冲击和水流清洗后仍能正常使用。热丝与保护罩同轴安装。信号频率的检测采用峰（谷）点检测法已如上述，当量程比不大，例如小于1∶10时，可采用更简单的电路，只要放大-滤波-整形三部分即可。本发明输出信号可与计算机直接连接也可变成模拟量输出。

只要遵循本发明的低雷诺数下流量的涡街检测法规定的技术特征，本发明的低-高雷诺数涡街流量变送器在低、高雷诺数条件下均适用，能制成具有不同规格的系列产品。

三、一种量程扩展到中小流量的涡街流量计

应用本发明的低-高雷诺数涡街流量变送器和一个积算器，就可以构成一种量程扩展到中小流量的涡街流量计。通常的积算器以小规模集成电路为基础，一套电路只能显示一个流量，处理一个流量变送器的输入量，并且要求变送器的输入是完全线性化的。为配合这种积算器，在本发明的低-高雷诺数涡街流量变送器中可附加如图六所示的定时减数电路。这样的电路可避免在零流量（或很小流量时）出现负计数的情况。定时脉冲发生器发出的定时清零脉冲将触发器T₁和T₂复位，当外界输入第一个脉冲时，这个脉冲只起打开计数与门的作用，并不作计数，所以在输入脉冲为零或低于定时脉冲的频率时计数与门始终不开。为减小定时脉冲与计数脉冲同时输入的概率，这两种脉冲的脉宽都应窄些。这些计算值与实测值误差可小于1‰。这种电路的输出脉冲的间隔有变化，但只要总流量达到数升时，这种间隔变化的影响实际上即可忽略。

为了提高计测精度，降低积算器的成本和增强积算器的功能，使积算器具有同时处理多路输入，显示多个流量变送器输入的瞬时量和累计量以及能实现线性化的功能，本发明又采用微型计算机系统作流量积算显示装置。所用微机可以是简单的多片机系统，如Z-80，也可以是单片机系统，如MCS-48系列的8039。

本发明的一个实施例经湖北省测试中心测试（测试证书鄂测字第85058号），达到的主要技术性能如下：

（1）测量管内径：27×15毫米²

（2）流体种类：常温常压气体

（3）测量流量范围：10～300升/分

（4）精度：读数值的±1.5%

（5）压力损失：7.5倍动压

（6）显示位数：5位

（7）同时集采路数：两路（可扩展）

（8）显示选择：瞬时流量，累计流量、时间。

（9）显示单位：流量0.01升～1升，时间0.01秒～1秒。

Claims (8)

1、一种能在低雷诺数(Re＞400)条件下用检测卡门涡街效应产生的旋涡频率来测量流量的方法，其特征在于该方法采用了能使来流流速匀化的整流器，能与“定时减数电路”作最佳配合而使频率-流量特性线性化的倒梯形断面的柱状旋涡发生体，斜向设置窗口的旋涡检测装置和用检测峰(谷)点的方法设计的信号检测输出电路以及有关元件的或元件之间的合理配置。

2、如权利要求1所述的低雷诺数下流量的涡街检测法中所用的整流器，其特征在于它是一种网目为100～500孔/厘米²的1～2层的筛网，可以是金属网、塑料网或其它材质的网，整流器设在流量管道的上游侧，它与旋涡发生体之间的距离为0～3倍旋涡发生体的宽度。

3、如权利要求1所述的低雷诺数下流量的涡街检测法中所用的旋涡发生体，它的断面形状可以是流线体除外的各种简单对称形断面的柱状体，其特征在于以倒梯形断面（即梯形的长底边朝向来流方向）者，能在本方法中与定时减数电路得到最佳配合。

4、如权利要求1所述的低雷诺数下流量的涡街检测法中所用的旋涡检测装置，其特征在于旋涡检测装置中带有对称窗口的保护罩，在流量管道中应安装在距旋涡发生体下游3.5～5.5倍旋涡发生体的宽度处，窗口的朝向应与管道轴线的夹角呈15～75°。

5、如权利要求1所述的低雷诺数下流量的涡街检测法中所用的信号检测输出电路，其特征在于本电路采用具有一定滞后特性的峰（谷）点检测法来检测旋涡信号频率。

6、一种主要用于低雷诺数也能用于高雷诺数条件下的低-高雷诺数涡街流量变送器系列，其特征在于它是遵循权利要求1所述低雷诺数下流量的涡街检测方法的原理制造的。

7、一种量程扩展到中小流量的涡街流量计，其特征在于它应用了如权利要求6所述的新型涡街流量变送器。

8、如权利要求7所述的涡街流量计，其特征在于为使频率-流量关系线性化采用的“定时减数电路”。

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