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涡街流量计工作原理以及电路参数的设定

发布时间: 2022-05-30  点击次数: 651次

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     涡街流体振动现象应用于测量的研究开始于20世纪50年代,到20世纪80年代基于不同检测方法的涡街流量计发展异常迅速,目前已跻身通用流量计之列。


       涡街流量计在投入使用之前,需要根据其所测介质是液体或气体选择相应的标定系统标定,从而确定仪表系数、测量范围、精度以及电路参数。针对DN300涡街流量计在液体介质中的使用,我们选择了3台送往开封国家水大流量计量站进行标定,确定了其仪表系数、测量范围及电路参数。


       1 工作原理


       涡街流量计是根据“卡门涡街"原理研制成的一种流体振荡型流量仪表。在流动的液体中插入一个断面为非流线型柱状物体时,在柱体后部两侧会产生两列交错排列的旋涡,如图1所示。旋涡分离的频率与流速成正比,与柱体的宽度成反比,可以用公式(1)表示:


        f=St×U/d……公式                (1)


       式中:


       f:  旋涡分离频率


       St:斯特劳哈尔数(无量纲常数)


       U: 柱体侧面的流速


       d: 柱体的迎流面宽度


       由公式(1)可见,通过测量旋涡的分离频率便可测出流体流速,再由流速求出体积流量,进而得到公式(2)


       f=Q×K……公式                   (2)


       式中:


       K:仪表系数m-3。


       Q:体积流量(m3/h)


       涡街流量计的电路将压电晶体元件(传感器)检测到的旋涡分离频率经放大、整形处理后。以频率信号输出,或进一步变换成与流量成比例的4~20mADC信号输出,如图2所示。


       2 预期目标


       本次是对DN300涡街流量计的标定,我们制定了以下目标


       (1)按量程比7:1、精度1.0级、重复性0.3%以下的指标标定合格;


       (2)取得其在水标定时电路参数的设定值;


       (3)在满足量程比7:1、精度1.0级的条件下,通过对电路参数的调整,寻找其尽可能低的下限流量。


       3 分析及调整


       3.1 中小口径涡街流量计水标定


       数据如表1所示。


       表1 中小口径涡街流量计水标定数据 


       3.2 电路参数的设定


       对于应力式涡街流量计,介质流过旋涡发生体产生的旋涡强度与升力ρU2(ρ为介质密度,U为流速)成比例关系。对同一种介质,测量的流量范围的不同,信号强弱就不同,大口径的涡街流量计产生的旋涡强度比小口径的涡街流量计产生的旋涡强度大,因此大口径的涡街流量计电荷放大器的放大率(K1)可调得比小口径的涡街流量计电荷放大器的放大率小。涡街流量计优质次标定时,其仪表系数和流量范围都是未知的,流量范围对应的频率也是未知的。此时带通滤波器通频带(K2、K3)应设得较宽,我们设定上下限频率比为30:1左右。由于标定装置的流场稳定,干扰少,因此电压放大器的放大率(GB)以及施密特触发器的触发门限(SB)可按常规设置。


       结合表1估计DN300的涡街流量计的流量范围可能在300~1800m3/h。选择1000m3/h进行标定,得到系数K为0.0442。根据公式f=Q×K计算出估算的流量上下限对应的频率上下限。


       在标定时应遵循一个原则:工作频率范围尽可能多地落到带通滤波器设定的通频带内。因此根据计算得到的频率上下限,重新设置滤波器通频带。由于滤波器通频带的设定是通过调整K2、K3每一位开关决定一个滤波电容是否并联到电路中来实现的,而对于K2、K3的开关组合非常多,调整要逐步摸索,使滤波器截止频率接近计算得到的上下限频率。标定时当流量上升到某一个值时,涡街流量计的输出频率突然大幅度下降,这就是滤波器上限频率太小造成的。此时调整K3,选择较小的电容并联值,提高上限截止频率。受设备能力的限制,流量上限只能到1500m3/h,因此按300~1500m3/h流量范围进行标定。在300~1500m3/h流量范围内取5点标定[2],得到表2所示的数据:


       从表2中可以看出,基本误差和重复性都在要求的范围之内,但量程比不到7:1。这时通过降低下限流量的方法来增大量程比,将流量范围调整为220~1500m3/h。由于流量范围的调整使输出频率大小及信号强弱发生改变,此时要对电路中带通滤波器的通频带重新设置。对于优质次标定的涡街流量计,这是需要反复进行的工作。在满足所产生的旋涡强度的要求以及雷诺数(20000)限制时,低的流量下限是追求的目标之一。而DN300涡街流量计到流量下限220m3/h时产生的频率为3Hz左右,非常接近压电晶体热效应产生的频率。因此在调低带通滤波器下限截止频率时,要尽可能将压电晶体的固有频率作为干扰信号予以切除。也就是说,滤波器下限截止频率不能低于压电晶体热效应产生的频率,这也是涡街流量计的流量下限不能做得太低的原因之一。


       根据以上分析和调整,得到表3所示的数据:


       3.3 结果分析


       此次3台DN300涡街流量计的水标定实现了预期目标,取得了国家水大流量计量站的检定证书。通过对数据的分析可以看出两点:


       (1)从仪表系数值的走势来看,上限流量的值提高到1800m3/h,仪表基本误差将接近1.0%,也能达到精度1.0级的要求;


       (2)仪表的重复性远远低于国家计量标准要求的0.33%的标准,这对于仪表的应用非常有利。


       在实际应用中,由于涡街流量计所测介质因液体或气体流速范围及密度的不同,使得旋涡的分离频率范围及分离时产生的信号强度也会不同,电路参数会有较大差别。因此,同一电路参数是不能用于测量不同介质的,介质改变,电路参数也应随之改变。


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