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涡街流量计原理课件

④形状和结构简单,便于加工、安装和组合;
⑤材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温变;
⑥体,它可分为单旋涡 发生体和多旋涡发生体两类,如图4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,如图3所示。 图中D为仪表口径。 为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不 过它的应用并不普遍。
研究: 雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准数。为纪念O. 雷诺而命名,记作Re。Re=ρvL/μ,ρ、μ为流体密度和 动力粘度,v、L为流场的特征速度和特征长度。对外流 问题,v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机 翼弦长或圆球直径);内流问题则取通道内平均流速和通 道直径。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力[1] 之比。两个几何相似流场的雷诺数相等,则对应微团的 惯性力与粘性力之比相等。雷诺数越小意味着粘性力影 响越显著,越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流 动(如润滑膜内的流动),其粘性影响遍及全流场。雷 诺数很大的流动(如一般飞行器绕流),其粘性影响仅 在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。在涉及粘性 影响的流体力学实验中,雷诺数是主要的相似准数。但 很多模型实验的雷诺数远小于实物的雷诺数,因此研究 修正方法和发展高雷诺数实验设备是流体力学实验研究 的重要课题。
技术(热敏、超声、应力、应变、电容、 电磁、光电、光纤等)可以构成不同类型 的VSF。
旋涡发生体和检测方式一览表
旋涡频率检测方法,大致分为两类: 一类是检测旋涡发生时流速变化,采用的元件有热丝、 热敏电阻、超声波探头等; 另一类是检测旋涡发生时压力变化,采用的检测元件有 压电元件、应变元件、膜片+压电、膜片+电容等。
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,图1所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数 与管道雷诺数的关系图。
图1:斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线
流体流经柱体时,速度上升,压力下降(节流),在圆 柱体后速度下降,压力上升。当ReD>60时,附面层分离, 产生旋向相反,且交替出现的旋涡,当涡街宽度h/相邻 旋涡间距l =0.2806时,涡街达到稳定。由图1可见,在 ReD=2×104~7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表 正常工作范围。
不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表1所列。 表1 检测方式与前置放大器
检测方法 热敏式 超声式 应变式 应力式 电容式 光电式 电磁式
前置放大器
恒流放大器
选频放大器
恒流放大器
电荷放大器
调谐-振动放 大器
光电放大器
低频放大器
图5 转换器原理框图
2.3.4仪表本体 仪表表体可分为夹持型和法兰型,如图6所示。
图3 三角柱旋涡发生体 d/D=0.2~0.3;c/D=0.1~0.2;
b/d=1~1.5;θ=15o~65o
图4 单旋涡发生体和多旋涡发生体
2.3.2检测元件
流量计检测旋涡信号一般有5种方式。 1) 用设置在旋涡发生体内的检测元
件直接检测发生体两侧差压; 2) 旋涡发生体上开设导压孔,在导
压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压; 3) 检测旋涡发生体周围交变环流; 4) 检测旋涡发生体背面交变差压; 5) 检测尾流中旋涡列。 根据这5种检测方式,采用不同的检测
图2 涡街流量计
2.3.1旋涡发生体
旋涡发生体是检测器的主要部件,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, 对它的要求如下。
①能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离;
②在较宽的雷诺数范围内,有稳定的旋涡分离点,保持 恒定的斯特劳哈尔数;
③能产生强烈的涡街,信号的信噪比高;
检测元件检测方法举例: 圆柱发声体检出部分的轴向两侧开并列的偶数导压孔,导 压孔与检测棒内的空腔相通。空腔内有隔墙,把空腔分隔 成二部分,在隔墙中,装有通电流的铂电阻丝。当圆柱检 测棒的侧后方产生旋涡时,有旋涡的一边静压大于无旋涡 的一边,于是通过导压孔引起空腔内流体的移动,使得热 电阻丝冷却而改变阻值,在通过电桥输出电信号。
▪ 电磁检测法: 旋涡发生体后设置一个信号电极,并使电极处于一个磁感应强度为 B的永久磁场中,流体旋涡的振动使电极同频率振动,切割磁力线 产生感应电动势。特点:不怕管道振动,刚刚兴起的涡街频率检测 方法。
2.3.3转换器
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。
三角柱检测器正面用低温玻璃封装的两只热敏电阻为电桥 的桥臂,它由恒流源供给的微弱电流予以加热。流体在检 测器两侧交替产生旋涡,产生旋涡的一侧,流速较大,致 使靠近这一侧的热敏电阻温度降低而阻值升高,造成电桥 不平衡,从而输出与旋涡产生的频率一致的交变电压信号。
热电阻法(P脉动): 把圆柱做成空心,中间放入一个加热的电阻丝,在 隔板层开几个导压孔,当一侧产生涡列时,P变化 (脉动),另一侧未变,所以流体经过导压孔突然 流过电阻丝,使之冷却,温度降低,电阻减小,另 一侧再产生涡列时,流体反而再次冷却,电阻减小, 测出电阻下降的次数就可以推出频率f。
涡街流量汁(以下简称VSF或流量计) 是在流体中安放一根(或多根)非流线型阻流体 (bluff body),流体在阻流体两侧交替地分离释放 出两串规则的旋涡,在一定的流量范围内旋涡分离频 率正比于管道内的平均流速,通过采用各种形式的检 测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。
早在1878年斯特劳哈尔(Strouhal)就发表了关于 流体振动频率与流速关系的文章,斯特劳哈尔数就 是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸,流速关系的相 似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的, 如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍 将产生共振而破坏设备。
2.3 涡街结构
VSF由传感器和转 换器两部分组成, 如图2所示。 传感器包括旋涡发 生体(阻流体)、 检测元件、仪表表 体等; 转换器包括前置放 大器、滤波整形电 路、D/A转换电路、 输出接口电路、端 子、支架和防护罩 等。 近年来智能式流量 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。
涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代, 如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道 流量计--涡街流量计,诞生了热丝检测法及热敏检 测法VSF。
70、80年代涡街流量计发展异常迅速,开发出众多 类型阻流体及检测法的涡街流量计,并大量生产投 放市场,像这样在短短几年时间内就达到从实验室 样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。
范围宽度,可达10:1或20:1。 压损小(约为孔板流量计1/4~1/2)。 输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量,无 零点漂移;
热敏检测元件灵敏度高,适用于较低温度(小于200度) 和较低密度的气体测量。但因热敏电阻用玻璃封装,较 脆弱,故易受污物、有害物质等影响。
压电元件耐脏,应用较广。但抗震性较差、信噪比较低, 如测低密度、低流速气体,环境振动较大就不宜选用。 在常温下,压电陶瓷是绝缘的,阻抗为10~100兆欧。 如300度高温,阻抗会降到1兆欧,输出信号变小,导 致系统低频性恶化,不利于测量。
什么是频率?
物质在1秒内完成周期性变化的次数叫做频率,常用f表示。 频率是50Hz,也就是一秒钟内做了50次周期性变化。
什么是雷诺数?
简介: 雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动 情况的无量纲数,以Re表示,Re=ρvd/η,其中v、ρ、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数,d为一特征长度。 例如流体流过圆形管道,则d为管道直径。利用雷诺数可 区分流体的流动是层流或湍流,也可用来确定物体在流体 中流动所受到的阻力。例如,对于小球在流体中的流动, 当Re比“1”小得多时,其阻力f=6πrηv(称为斯托克斯 公式),当Re比“1”大得多时,f′=0.2πr2v2而与η无关。
图6 仪表表体
双头型 分体型
Rosemount 涡街
法兰型 缩径型
夹持型
多参数型
三、优点与局限性
3.1 优点
VSF结构简单牢固,安装维护方便(与节流式差压流量计 相比较,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结 等)。
适用流体种类多,如液体、气体、蒸气和部分混相流 体。
精确度教高(与差压式,浮子式流量计比较),一般 为测量值的( ±1%~±2%)R。
卡 曼 涡 街
根据卡曼涡街原理,有如下关系式
涡列频率
f

St
v d
斯特罗哈数 涡列发生体两侧流体的平均流速
涡列发生体迎流面的最大宽度
体积流量
qv
涡列发生体两侧的流通截面积
Av

Adf St
A=πD2/4-----管道圆形面积
斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关,形 状确定后,在一定雷诺数范围内St为常数。
外部条件几何相似时(几何相似的管子,流体流过几 何相似的物体等),若它们的雷诺数相等,则流体流动状 态也是几何相似的(流体动力学相似)。这一相似规律正是 流量测量节流装置标准化的基础。
热敏电阻法(灵敏度高):
在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热 敏电阻,热敏电阻中通入恒定的电流,使 之温度在流体静止的情况下比流体高出 10℃左右。未起漩时,流体的温度相同, 交替旋转时,发生漩涡的一侧,能量损失, 因此流速降低,此侧对电阻的冷却作用下 降,可以产生一个脉冲。
涡街流量计
一、流量计 概 述
在特定的流动条件下, 一部分流体动能转化为 流体振动,其振动频率 与流速(流量)有确定 的比例关系,依据这种 原理工作的流量计称为 流体振动流量计。
目前流体振动流量计有 三类:涡街流量计、旋 进(旋涡进动)流量计 和射流流量计。
涡街流量计外形图
流体振动流量计具有以下一些特点:
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