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超声涡街流量测量技术原理结构详解

时间:2018/06/26来源:未知

涡街流量计简介:
涡街流量计测量原理:
  涡街流量计的测量原理如图一所示。在流体管道中插入一定形状的旋涡发生体阻流体,当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街。
图一涡街流量计测量原理图
图一涡街流量计测量原理图

  卡门从理论上证明了当两旋涡列之间的距离和同列的两旋涡之间的距离L满足公式二时,非对称的旋涡列就能保持稳定,并能满足如下关系
计算公式
式中f—旋涡的发生频率    S,—斯特劳哈尔数
U,—旋涡发生体两侧平均流速d—旋涡发生体迎流面宽度U—被测介质来流的平均速度D—管内直径m—旋涡发生体两侧弓形面积与管道截面面积之比
计算公式

  式中Kv—流量计的仪表系数,脉冲数/m³。    Kv除了与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关,由实验可知,在雷诺数Re为2x10‘一7x10“范围内时,S基本保持不变,可以认为是常数。这是仪表正常工作范围。式(2-3)即为涡街流量计的测量依据,在一定雷诺数范围内,流量和涡街频率f成线性关系,涡街频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只要测出f,就能求得。

涡街流量计组成部分:
    根据卡门涡街原理设计制造的涡街流量计,由于设计的时间及生产手段的不同,其检测方式及相应的检测元件都有所不同,所以结构也不一样。
    (1)旋涡发生体    旋涡发生体是涡街流量计的关键部件,它与仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性(压力损失)密切相关。旋涡发生体在选型及设计时,应考虑能产生强烈和稳定的旋涡,并在较宽雷诺数范围内有稳定的旋涡分离点;同时,形状和结构力求简单。现在己开发出形状繁多的旋涡发生体,它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类,如图2-2所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种。为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过目前它的应用并不普遍。
图2-2旋涡发生体
图2-2旋涡发生体

      (2)转换器:
    转换器包括检测元件及电信号处理部分。近年来智能式涡街流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。检测元件把涡街信号转换成电信号,该信号既微弱又含有不同成分的噪声,必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。不同的涡街频率检测方法,应配备不同特性的前置放大器,后面的滤波、整型和转换电路则无根本区别。转换原理框图如图2-3所示。
图2-3转换器原理图


图2-3转换器原理图

(3)仪表壳体仪表壳体可分为夹持型和法兰型,如图2-4所示。
图2-4仪表壳体

图2-4仪表壳体

两种实现超声涡街流量测量技术的原理:
    超声涡街流量计主要采用两种检测方式—幅度调制式和相位调制式。下面就这两种检测方式的原理和特点从进行分析。

幅度调制式超声涡街流量计:
图2-5调幅式超声涡街流量计原理图

图2-5调幅式超声涡街流量计原理图

    如图2-5所示,A, B是一对谐振频率相同的超声波换能器,分别安装在旋涡发生体下游侧的管壁上。A, B的轴线、发生体的轴线和管道的轴线都相互垂直。A为发射换能器,用连续、等幅的电信号激励,使之产生声强相同的超声波速。超声波进入被测流体,并向对面传播,再到达接收换能器B。
    在流体不流动时,涡街也不产生,超声波也未受到调制。    当流体流动时,涡街从旋涡发生体两侧交错分离,随流体向下游运动,依次经过超声波束。      当旋涡与声束相遇时,旋转运动的旋涡对超声波产生反射与折射。由于两列旋涡的旋转方向相反,对声束折射的方向也相反,但无论哪一列旋涡与声束的相互作用,结果都使接收换能器接收的信号减小。旋涡通过声束后,B接收到的信号又恢复到常态。就这样流体连续流动,旋涡不断形成,对声波的调制作用就会不断的进行。
无旋涡调制时接收到的声波信号为:
声波信号计算公式
    接收换能器把声信号转换成电信号,送到放大器。放大器输出的信号又经带通、低通滤波电路得到含有高噪声的旋涡信号。再经过数字滤波的后,就获得频率为f的正弦信号。
    旋涡对超声波调制作用的大小,用调幅度M表示,取决于旋涡的特性,旋涡越强烈,调制度也就越大。不同旋涡发生体产生的旋涡强度是不同的。而对同一旋涡发生体,旋涡强度则随流速的高低而变化。一般高流速时,产生的旋涡强度要比低流速时产生的旋涡强度高,所以高流速时超声的调幅度远比低流速时大得多。
    超声在这里仅仅起到载波的作用。只要有旋涡通过它,它就被调制,调制频率完全取决于涡街频率,而与超声本身的频率和声速无关。所以声速的变化对测量精度不会产生影响,这又是超声涡街流量计比超声波流量计的优越之处。

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