摘要:介紹了一種利用檢測漩渦頻率和橫向變動升力的方法測量氣體質量流量的漩渦式氣體質量流量計。同時論述了其測量機理、 電子線路、 實驗結果及結論。

  隨著科學技術的發展 , 工業生產對流量測量的準確性要求越來越高 , 尤其是氣體和氣液兩相流的質量流量測量, 已經成為一項前沿性難題。單組分的氣體流量還有熱式質量流量計可以應用, 而對于變組分的氣體質量測量目前尚無成熟的流量計可以應用 。筆者研制的漩渦式氣體質量流量計是在深入研究卡曼渦街原理基礎上而開發的。流量計的核心是傳感器和雙通道信號檢測電路。

1、測量原理：
  漩渦是一的流動現象 , 在充滿流體的管道中垂直于流體流向插入一個漩渦發生體 , 當流體的流量增大到一定程度時, 會在漩渦發生體的下游側形成一系列的漩渦, 并且漩渦發生體兩側產生的漩渦是周期性交替出現的, 如圖 1 所示 。

圖 1 　漩渦和橫向變動升力產生原理
  當產生的穩定漩渦列滿足公式 h =1.3b((h 是兩渦列之間的距離)時, 漩渦發生的頻率 f 與被測流體的流速之間有以下關系[ 1]:f =S tv 1b(1)式中 :v1 為漩渦發生體兩側的平均流速;b 為漩渦發生體迎流面的***大寬度;St為斯特勞哈爾數(無量綱 , 漩渦發生體的形狀確定后, 在一定的雷諾數范圍內為常數)。此時, 流過管道和漩渦發生體兩側的流體體積流量 qv為:qv=A1bS tf (2)式中:A 1 為管道漩渦發生體兩側的流通截面積。目前的漩渦流量計就是采用上述原理來測量流量的 。
  伴隨著漩渦的產生, 在漩渦發生體的周圍產生循環流 , 當漩渦在發生體一側分離時 , 發生體受到的橫向變動升力 F Lf[ 2]大小為 :F Lf =±C Lf ×0.5ρv 12S 0 (3)式中, CLf為橫向升力系數;ρ為被測流體密度;S 0為漩渦發生體在流動方向上的投影面積。(3)式除以(1)式可以消掉一個公共變量 v1,得到質量流量 qm:F Lff=±b S0C Lf2S tρv1=Kρv1=Kqm(4)
  根據(4)式, 當儀表系數 K 為常數時 , FLf和 f 之商就表示被測流體的質量流量 qm 。而在漩渦發生體的幾何形狀確定后, b 、 S 0 、 CLf都是常數 , 當被測流體的流速大到一定程度時, St也為常數 , 故 K是一常數 。這就是漩渦式質量流量計的測量原理。詳細的實驗資料表明, CLf是雷諾數 Re 和漩渦發生體形狀的函數 , 如圖 2 所示 , 其中當漩渦發生體的形狀為梯形、 矩形 、 三角形時 , 橫向升力系數分別為 0.92 , 0.62 , 0.80 。
  綜上所述, 如果實現了 f 和 FLf的測量 , 并進行除法運算 , 就能進行質量流量的測量 。

圖 2 　管道內發生體后端面的流動介質的 CL f值

2、f 和FLf的檢測：
  漩渦式質量流量計傳感器結構如圖 3 所示 。傳感器采用了應力檢測法[ 3], 檢測元件是壓電晶體 ,漩渦發生體為梯形柱形狀 。壓電晶體用單片對分的形式封裝在漩渦發生體的內部 , 優點是檢測元件不與被測流體直接接觸 。兩片壓電晶體安裝在漩渦發生體慣性力零彎矩端面內, 中性面一側為壓應力 ,另一側為拉應力 。

圖 3 　漩渦式氣體質量流量計傳感器結構
  兩部分所產生的電荷極性相反 , 經電荷放大器后, 兩部分的信號疊加 , 除掉共模干擾。放大器輸出與漩渦頻率 f 成正比的信號 , 同時根據壓電效應, 可求出壓電晶體上產生的電荷 q 為:q =∫σsd33d A
  式中 :d33為壓電常數;σs為壓電晶體所承受的力 ;A 為壓電晶體的電極面積 。q 與 FLf成正比, q =K 1 F Lf 。當漩渦發生體的形狀 、尺寸 、支撐方式固定后 , 壓電晶體輸出的交變電荷其頻率和 f 相同, 幅值大小反映 FLf的大小 。壓電晶體所產生的 q 包括兩部分信號 :q 的頻率是漩渦產生的頻率 f , f 的大小由式(1)決定;q 的幅值表示F Lf的大小 ,即 :q = K1F Lf =±CLf×0.5ρv12S 0K 1
  通過檢測壓電元件的電荷強度就可以同時得到漩渦頻率和橫向變動升力兩個變量 , 這種一箭雙雕的作法在流量檢測領域是十分罕見的, 同時這也是漩渦式氣體質量流量計的主要特點。

3、整機結構框圖：
  q1 , q2是漩渦發生體內的兩片壓電晶體上所產生的交變電荷(幅值與 ρv12成比例 , 頻率與流速v 1 成比例), 通過兩個電荷變換器 , 變換成交流電壓信號, 然后通過加法器, 去掉由于管道振動引起的共模干擾 , 將有用信號分別送到幅值處理回路和頻率處理回路(如圖 4 所示)。

圖4 漩渦式質量流量計整機結構框圖
　在頻率處理回路, 有用交流電壓信號通過低通濾波器除掉高頻雜波, 經過整形電路成為 5 V 方波 , 這個方波就是漩渦頻率信號, 它進入 8031 的T 1 端進行定時計數 。在幅值處理回路 , 有用電壓交流信號經四階高通二階低通濾波, 將水利學噪聲干擾 、高頻雜波干擾濾掉, 再經過微弱信號整流電路將其變為脈動直流電壓信號 , 用采樣保持電路把信號離散化, 經 AD570 變為數字信號從8031 的P0口輸入 。這就是說幅值信號和頻率信號都進入 8031后 , 進行公式(4)的除法運算和乘以系數 K 的運算 , 使乘后數值與理論的質量流量相符 , 再進行瞬時流量和累積流量的數字顯示 。8031 把運算結果也同時送往 D/A0832 , 把數字信號變為電壓信號,再經電壓電流轉換 , 輸出 4 ～ 20 m A電流信號。

4、系統程序：
  從工作原理中可知 , 只要檢測出加法器輸出的交流電壓的幅值和頻率數, 再經 8031 進行除法運算和乘以系數 K 的運算就可以求出被測流體的質量流量。系統程序框圖如圖 5 所示 ,其主要任務有 :(1)對加法器輸出的交流電壓信號的幅值進行采樣并轉換成數字量;(2)對交流電壓信號的頻率進行計數 ;(3)完成除法運算求出被測流體的質量流量 ;(4)消除水利學噪聲干擾 、 工頻和高頻干擾;(5)數字顯示瞬時流量和累積流量。

圖5系統程序框圖

5、實驗結果和結論：
   直徑為50 mm的漩渦式質量流量計的氣體實驗是在鐘罩上進行的 。鐘罩是一種標準的氣體流量校驗裝置, 將鐘罩內充滿待測空氣后, 將漩渦式質量流量計裝在出口管道上, 調節出口閥開度 。因鐘罩在下降過程中壓力保持穩定 , 計算出下降時間就可算出標準的空氣體積流量。測出當時的室溫、 空氣密度 , 將體積流量換算成質量流量, 再和被校驗漩渦式質量流量計的指示值對比, 實驗結果見圖 6 。其中橫軸 qm s為標準的氣體質量流量 ;縱軸 qm為質量流量計顯示值。
  實驗得知, 常壓下的質量流量誤差在±1.46 %以內 , 變壓力實驗因沒有標準壓力氣體標定裝置,結果不十分理想, 但已經證明了漩渦式質量流量計的測量原理是正確的。
  漩渦式質量流量計突出特點是傳感器結構簡單 、壽命長, 除了測量液體質量流量外 , 更適合于測量變組分氣體的質量流量 。所以, 漩渦式質量流量計必將在不久的將來成為一種具有強大競爭能力的流量計。