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電容式渦街流量計(jì)工作原理圖

一、工作原理
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體),從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,這種旋渦稱為卡曼渦街,如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f,被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U,旋渦發(fā)生體迎面寬度為d,表體通徑為D,根據(jù)卡曼渦街原理,有如下關(guān)系式
f=SrU1/d=SrU/md   (1)式中             
U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;
Sr--斯特勞哈爾數(shù);
m--旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
圖1 卡曼渦街
 
管道內(nèi)體積流量qv為
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr   (2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1   (3)
式中K--流量計(jì)的儀表系數(shù),脈沖數(shù)/m3(P/m3)。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見(jiàn),在ReD=2×104~7×106范圍內(nèi),Sr可視為常數(shù),這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí),VSF的流量計(jì)算式為
圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線
 
式中 qVn,qV--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0oC或20oC,101.325kPa)和工況下的體積流量,m3/h;
Pn,P--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力,Pa;
Tn,T--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度,K;
Zn,Z--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
由上式可見(jiàn),VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量,這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度,流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的。
 
二、結(jié)構(gòu)
VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件、儀表表體等;轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
 
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān),對(duì)它的要求如下。
1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離;
2)在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi),有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn),保持恒定的斯特勞哈爾數(shù);
3) 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街,信號(hào)的信噪比高;
4) 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合;
5) 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化;
6) 固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體,它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類,如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱,其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用*廣泛的一種,如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性,可采用多旋渦發(fā)生體,不過(guò)它的應(yīng)用并不普遍。
d/D=0.2~0.3;c/D=0.1~0.2;
b/d=1~1.5;θ=15o~65o
⑵ 檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1)用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓;
2)旋渦發(fā)生體上開(kāi)設(shè)導(dǎo)壓孔,在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓;
3)檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流;
4)檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓;
5) 檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式,采用不同的檢測(cè)技術(shù)(熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構(gòu)成不同類型的VSF,如表1所示。
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲,必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號(hào)。⑶ 轉(zhuǎn)換器
不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器,如表2所列。
⑷ 儀表表體
儀表表體可分為夾持型和法蘭型,如圖7所示。
圖7 儀表表體
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