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涡街流量计技术改进与发展方向
发布时间:2018-11-09

摘要:涡街流量计是根据涡街原理制备的测量气体和液体流量计量仪器,自上世纪八十年代以来被广泛使用,其技术也不断进步。本文就涡街流量计的旋涡发生体(阻流体)、检测元件(传感器)、前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路等方面的技术特点和研究进展进行了综述,通过对涡街流量计原理的进一步的了解,期待有更好的改进思路,推动涡街流量计技术的进步。
  涡街流量计是用于气体、液体等流体介质的测量的常用仪器之一,其应用已经从最初的水蒸气、水的测量扩展到生物学、医学、卫生、化学化工等领域。随着各种相关技术等不断提高,涡街流量计向着高、精、尖方向发展。
  涡街流量计应用最多的领域是石油化工企业,由于其传感部件可以不直接接触被测介质,可以用于测量各类液体、气体流量,一般其不锈钢旋涡发生体和封装于不锈钢体的传感器,能够耐受高温高压,可用于液体、气体、蒸汽测量。现在也有推出管径小于?25mm以下的采用模压成型工艺的全塑料产品涡街流量传感器,配置非接触的超声波检测元件,可用于腐蚀性液体和高纯净液体的流量测量。在石油化工、制药、食品和半导体工业中,涡街流量计有着广泛的应用,可以准确测量的介质包括甲醇、甲醛、丙酮、甲苯、三氯乙烯、乙烯、丁烷液氨、空分装置中液氧、液氮流量等,还有半导体工业纯水、超净纯水等。
  根据卡门(Karman)涡街原理研制的涡街流量计主要用于工业管道介质流体如气体、液体等的流量测量。涡街流量计的特点是量程范围大、压力损失小,在体积流量测量时几乎不受流体密度、温度、压力、粘度等因素的影响,精度高,维护量小,可靠性高,工作温度范围较宽(-20~250℃)。信号输出方式有数字脉冲信号输出,也有模拟标准信号,易于智能化、自动化控制,是大中型企业比较先进、理想的介质流量测量仪器。常见的涡街流量计如图1所示。
涡街流量计图示
  涡街流量计分类方法有多种,如按照检测方式分为热敏式、电容式、应力式、超声式、应变式、光电式、振动体式和光纤式等;按传感器与转换器组成分为一体型和分离型;按测量原理分为质量流量计和体积流量计等。本文在介绍了涡街流量计工作原理的基础上,对最近几年来关于涡街流量计的最新技术改造现状进行了总结述评,以期进一步推动涡街流量计研究的发展。
1涡街流量计的基本原理
  涡街流量计中卡门涡街形成基本原理如图2所示。
涡街流量计中卡门涡街形成原理图
  正如图2所示,处于流体中的三角柱是旋涡发生体,当流体从旋涡发生体两侧流过时,产生有规则的交替旋涡———卡门旋涡,这些规则交替的旋涡在旋涡发生体下游非对称地排列。旋涡的释放频率f与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关,可用下式表示:
f=Stv/d
式中:
f———旋涡的释放频率,Hz
v———流过旋涡发生体的流体平均速度,m/s
d———旋涡发生体特征宽度,m
St———斯特罗哈数,无量纲,它的数值范围为0.14~0.27
St———雷诺数Re的函数,当Re在102~105范围内,St值大约为0.2
因此,在测量过程中,要尽量满足流体的Re在102~105,则旋涡的频率f=0.2v/d。
  由此可知,通过测量旋涡频率f即可得出流过旋涡发生体的流体平均速度v,再由公式q=vA即可求出流体流量q,其中A为流体流过旋涡发生体的截面积。
2涡街流量计的技术改进研究
  涡街流量计主要由涡街传感器和转换器两部分组成。其中传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件等;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、端子等。因此,涡街流量计的技术改进研究也主要集中在这几个方面。以下为近几年来涡街流量计技术改进的现状。
2.1传感器改进
  涡街流量计的重要组成部分是传感器,其灵敏度和精度都与传感器直接相关,因此,传感器的改进是涡街流量计改进的重点研究课题之一。蔡武昌[1]指出流量检测仪表的关键问题之一是传感器的设计,其预测流量计技术改进的一个重要方面是传感器结构设计中应该将温度、压力、管径等参数集合到流量传感器内。
  涡街流量计的缺点是抗干扰性能差,震动、强电磁场、高温环境因素等对涡街流量计的测定有很大影响,因此设计高抗干扰的流量计是涡街流量计研究者的追求。潘岚等[2]针对这一点设计了悬浮式差动传感器(如图3所示),其设计原理为,悬浮式差动传感器B位于漩涡发生体的后面,悬浮式差动传感器每个检测元件使用4个压电晶体,平板两侧分别对称固定了两个检测单元,以形成差动结构。两压电陶瓷片之间由一金属质量块固定成一个刚体,同时金属质量块作为压电陶瓷的输出电极,输出检测信号给电荷放大电路,并联的两片压电晶体使输出的涡街流量信号增大,使涡街流量计输出信号的信噪比得到很大提高,实验结果表明,安装悬浮式差动传感器的涡街流量计抗干扰性能显著改善。
涡街流量计悬浮式差动传感器图示
  通过研究发现,当涡街传感器中漩涡发生体和压电探头处于分离状态时压电探头的位置对涡街信号的检测具有比较大的影响。因此,作者研究了压电探头位置与涡街信号幅值、频率之间的联系,不同旋涡发生体,最强涡街信号出现的位置也不同。通过在DN100和DN50的水、气介质流量标准装置上研究发现,传感器中压电探头的最佳位置应处于发生体尾部且等于发生体宽度处,此距离与发生体宽度呈线性正比关系,不随被测介质不同而改变。这项研究对于涡街流量计传感器的改进具有实用性和推广性。
  压电晶体涡街传感器中采用的是压电材料受力后产生的电压信号作为测试信号,但是,压电晶体传感器信号转换的优劣依赖于电压或电荷放大器性能的影响。利用与压电晶体传感器同样具有小功率、高内阻且电荷量输出相似特性的硅光电池作为测试电荷放大器性能的信号发生器,硅光电池性能稳定、耐高温、耐辐射、转换效率高和频率相应好等优点,从而保证了测试电荷放大器频率响应特性的准确性。实验发现,采用硅光电池信号发生器测得的电荷放大器下限截止频率(-3dB点)fL2为10.5Hz,这与理论仿真值(10.61Hz)十分接近,而采用压电信号发生器时测得的fL2为12Hz,这对压电式涡街流量计的研发有很好的实用性和指导意义。
  光纤光栅具有抗电磁干扰、天然电绝缘性、抗腐蚀性和体积小等优异性能,作为流量传感器元件具有得天独厚的条件,如检测精度高、量程比宽、介质适应性强、线性好和易于实现智能控制。李红民等[5]采用电子滤波技术把光纤光栅作为敏感元件制作了一种光纤光栅涡街流量传感器。实验结果表明光纤光栅涡街流量传感器的量程达到可以达到25L/min,线性误差仅为0.42%,具有很好的线性度,测量精度达到±0.5%F.S。这种传感器可以适用于高温、强辐射、强磁场干扰和腐蚀性环境如化学化工、矿山、核电等领域内各种气体和液体流量的测量。
  将光纤光栅传感技术与传统涡街流量测量方式相结合,利用Fluent流体仿真软件对涡街流量传感器的内部流场进行模拟、分析,得到了涡街在内部流场的传输信息和涡街后受力点压力随时间的变化曲线,数据信息通过Matlab软件处理得到涡街频率信息,据此制作了光纤光栅涡街流量传感器并进行了测定,该传感器可以对0~20m/s内风速进行准确响应,且灵敏度较高,因此具有较高的研究价值及应用前景。
  随着微电子机械技术研究的不断发展,促使流量传感器向高集成度、高精度、微型化、高准确可靠性方向发展,适用于生物、医药、卫生等微流体计量的新型微型流量传感器不断涌现。基于MEMS技术的流量传感器如热式微型、流体振动型、差压型及仿生型微型流量传感器等不断出现[7]。
  基于温差测量原理设计了一种测量低流速气体流量的传感器,该传感器由一对集成温度传感器芯片与片状铂电阻热源构成。通过试验证明,在低于0.5cm/s的低流速下,该传感器仍具有数十至数百毫伏的输出信号幅度,传感器输出电压与方根流速成近似的线性关系,在低流速条件下该流量传感器具有高灵敏度和稳定性。
  涡街流量计有抗干扰性能差、量程窄等缺点问题,针对这些问题,从涡街信号的源头加以改进,开发了一种抗干扰性能优异的通用涡街流量传感器,提高了涡街信号的信噪比和灵敏度,同时加强保护措施,如对初级信号处理电路的信号和输出信号过程的导线进行屏蔽等,提高了涡街流量计的抗干扰性、并提高了测量量程。测试证实,改进后的涡街流量计不仅可以抵抗1.5g以下的机械振动干扰,也实现了大于20∶1的宽量程比性能。
一体式蒸汽涡街流量计图示

压电式通用涡街流量计传感器图示
  为了实现对蒸汽的流量、压力、温度和质量流量等多参数准确测量,成功研制出集温度传感器、压力传感器及涡街流量传感器于一体的蒸汽涡街流量计(如图4所示),其中涡街流量传感器采用压电传感器与旋涡发生体分离结构的压电式通用涡街流量传感器(如图5所示),温度传感器采用精度高、可靠性强、价格便宜的高温薄膜铂电阻Pt100或Pt1000传感器,其耐温范围更广:-200~600℃,采用微型独立封装;压力传感器采用精度高、耐温稳定性好、密封可靠的氩弧焊封装结构的高稳态压阻式压力传感器。对该涡街流量计检定测试结果为1级。目前,覆盖从DN15到DN30所有口径的该涡街流量计已经工业化批量生产。
  悬臂式涡街流量传感器具有信号强、响应快、工艺好、制作成本低等优点,但是它的固有频率普遍较低,对大流量信号测定或在复杂的环境中测量时其测量精度会受到严重干扰,为此,通过对涡街流量传感器进行受力分析,研究了在一定力下压电片的形变量、悬臂式涡街流量传感器固有频率的决定因素和管道振动对传感器输出信号的影响,设计了两种新型的、具有较好的抗管道振动能力的抗振悬臂梁涡街流量传感器,实验表明,这两种新型涡街流量传感器具有更高灵敏度。
2.2涡街信号的处理和转换电路等的改进
  涡街流量计信号的频率范围一般为1~2500Hz,易受噪声的干扰,设计高精度的涡街信号处理系统,对涡街信号处理方式的改进是自动化和仪器仪表等学术界的热点之一。以TMS320F2812芯片为核心控制器,利用2812DSP的l2位16通道ADC模块对涡街流量计传感器信号进行采集,结合FFT周期谱图法对采集信号进行特征分析,提取到有用信号,适当地抑制确定性噪声。实验和仿真验证了设计系统抗干扰性能强,具有可行性和正确性。以TMS320LF2407ADSP微处理器为核心,通过前端多级放大及滤波,并采用高精度A/D转换芯片,设计了高精度涡街信号处理系统(系统硬件框架图如图6所示)。仿真实验验证,该系统具有实时性强、精度高、性价比高等优点,有潜在的工业开发价值。利用窗函数法设计FIR和了IIR数字滤波器对涡街流量计的输出信号进行滤波处理,滤波后的波形平滑了很多,即将大部分的噪音信号去除,以提高测定流速的准确度。
高精度涡街流量计信号出礼系统硬件原理图
  针对涡街流量计易被干扰的问一种基于MUSIC算法的涡街信号处理方法。在模拟MUSIC算法的基本原理的基础上,对多种噪声环境下的涡街信号进行仿真验证。仿真验证结果表明:MUSIC算法可以有效地滤除典型噪声,高精度地分辨频率点,对改善涡街流量计的性能有良好的效果。采用经验模态分解(EMD)方法对涡街信号中干扰噪声进行滤除,得到真实的涡街信号。其基本方法是首先将原始信号输送到二阶低通滤波器进行幅值归一化,然后将归一化后的信号经EMD算法分解成噪声分量和真实涡街信号分量,最后,通过施密特阈值翻转法统计频率并判别出真实的涡街信号所在的分量,从而提取涡街信号。通过仿真试验分析,验证该数字信号处理方法的有效性。以MSP430型单片机为核心对智能涡街流量计转换电路进行设计与开发,其方法是对涡街传感器前置放大板送出的脉冲信号进行采集处理,MSP430输出的数字信号至D/A转换模块产生标准4~20mA信号输出。通过电路转换解决了以往转换电路存在的功耗大、性能不稳定等问题。
3结语
  随着我国经济模式的发展转变和人力资源成本的不断增加以及新技术的不断涌现,大型工业企业要求生产设备的自动化、智能化程度越来越高,作为常用流体介质的计量设备———涡街流量计也迎来了技术改进的最佳时机,如光纤光栅传感技术、超声传感技术、光电传感技术等用于涡街流量计的制备,未来的涡街流量计将更加高端、精密,用于生物、医药、卫生健康等行业的精细测量的涡街流量计将会得到更大的发展。

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