摘要:介紹了一種利用檢測(cè)漩渦頻率和橫向變動(dòng)升力的方法測(cè)量氣體質(zhì)量流量的漩渦式氣體質(zhì)量流量計(jì)。同時(shí)論述了其測(cè)量機(jī)理、 電子線路、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 工業(yè)生產(chǎn)對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高 , 尤其是氣體和氣液兩相流的質(zhì)量流量測(cè)量, 已經(jīng)成為一項(xiàng)前沿性難題。單組分的氣體流量還有熱式質(zhì)量流量計(jì)可以應(yīng)用, 而對(duì)于變組分的氣體質(zhì)量測(cè)量目前尚無(wú)成熟的流量計(jì)可以應(yīng)用 。筆者研制的漩渦式氣體質(zhì)量流量計(jì)是在深入研究卡曼渦街原理基礎(chǔ)上而開發(fā)的。流量計(jì)的核心是傳感器和雙通道信號(hào)檢測(cè)電路。

1、測(cè)量原理：
  漩渦是一的流動(dòng)現(xiàn)象 , 在充滿流體的管道中垂直于流體流向插入一個(gè)漩渦發(fā)生體 , 當(dāng)流體的流量增大到一定程度時(shí), 會(huì)在漩渦發(fā)生體的下游側(cè)形成一系列的漩渦, 并且漩渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生的漩渦是周期性交替出現(xiàn)的, 如圖 1 所示 。

圖 1 　漩渦和橫向變動(dòng)升力產(chǎn)生原理
  當(dāng)產(chǎn)生的穩(wěn)定漩渦列滿足公式 h =1.3b((h 是兩渦列之間的距離)時(shí), 漩渦發(fā)生的頻率 f 與被測(cè)流體的流速之間有以下關(guān)系[ 1]:f =S tv 1b(1)式中 :v1 為漩渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速;b 為漩渦發(fā)生體迎流面的***大寬度;St為斯特勞哈爾數(shù)(無(wú)量綱 , 漩渦發(fā)生體的形狀確定后, 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù))。此時(shí), 流過管道和漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流體體積流量 qv為:qv=A1bS tf (2)式中:A 1 為管道漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流通截面積。目前的漩渦流量計(jì)就是采用上述原理來(lái)測(cè)量流量的 。
  伴隨著漩渦的產(chǎn)生, 在漩渦發(fā)生體的周圍產(chǎn)生循環(huán)流 , 當(dāng)漩渦在發(fā)生體一側(cè)分離時(shí) , 發(fā)生體受到的橫向變動(dòng)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(shù);ρ為被測(cè)流體密度;S 0為漩渦發(fā)生體在流動(dòng)方向上的投影面積。(3)式除以(1)式可以消掉一個(gè)公共變量 v1,得到質(zhì)量流量 qm:F Lff=±b S0C Lf2S tρv1=Kρv1=Kqm(4)
  根據(jù)(4)式, 當(dāng)儀表系數(shù) K 為常數(shù)時(shí) , FLf和 f 之商就表示被測(cè)流體的質(zhì)量流量 qm 。而在漩渦發(fā)生體的幾何形狀確定后, b 、 S 0 、 CLf都是常數(shù) , 當(dāng)被測(cè)流體的流速大到一定程度時(shí), St也為常數(shù) , 故 K是一常數(shù) 。這就是漩渦式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)資料表明, CLf是雷諾數(shù) Re 和漩渦發(fā)生體形狀的函數(shù) , 如圖 2 所示 , 其中當(dāng)漩渦發(fā)生體的形狀為梯形、 矩形 、 三角形時(shí) , 橫向升力系數(shù)分別為 0.92 , 0.62 , 0.80 。
  綜上所述, 如果實(shí)現(xiàn)了 f 和 FLf的測(cè)量 , 并進(jìn)行除法運(yùn)算 , 就能進(jìn)行質(zhì)量流量的測(cè)量 。

圖 2 　管道內(nèi)發(fā)生體后端面的流動(dòng)介質(zhì)的 CL f值

2、f 和FLf的檢測(cè)：
  漩渦式質(zhì)量流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 。傳感器采用了應(yīng)力檢測(cè)法[ 3], 檢測(cè)元件是壓電晶體 ,漩渦發(fā)生體為梯形柱形狀 。壓電晶體用單片對(duì)分的形式封裝在漩渦發(fā)生體的內(nèi)部 , 優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)元件不與被測(cè)流體直接接觸 。兩片壓電晶體安裝在漩渦發(fā)生體慣性力零彎矩端面內(nèi), 中性面一側(cè)為壓應(yīng)力 ,另一側(cè)為拉應(yīng)力 。

圖 3 　漩渦式氣體質(zhì)量流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)
  兩部分所產(chǎn)生的電荷極性相反 , 經(jīng)電荷放大器后, 兩部分的信號(hào)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(hào) , 同時(shí)根據(jù)壓電效應(yīng), 可求出壓電晶體上產(chǎn)生的電荷 q 為:q =∫σsd33d A
  式中 :d33為壓電常數(shù);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(dāng)漩渦發(fā)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(chǎn)生的 q 包括兩部分信號(hào) :q 的頻率是漩渦產(chǎn)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(cè)壓電元件的電荷強(qiáng)度就可以同時(shí)得到漩渦頻率和橫向變動(dòng)升力兩個(gè)變量 , 這種一箭雙雕的作法在流量檢測(cè)領(lǐng)域是十分罕見的, 同時(shí)這也是漩渦式氣體質(zhì)量流量計(jì)的主要特點(diǎn)。

3、整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖：
  q1 , q2是漩渦發(fā)生體內(nèi)的兩片壓電晶體上所產(chǎn)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(gè)電荷變換器 , 變換成交流電壓信號(hào), 然后通過加法器, 去掉由于管道振動(dòng)引起的共模干擾 , 將有用信號(hào)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(zhì)量流量計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖
　在頻率處理回路, 有用交流電壓信號(hào)通過低通濾波器除掉高頻雜波, 經(jīng)過整形電路成為 5 V 方波 , 這個(gè)方波就是漩渦頻率信號(hào), 它進(jìn)入 8031 的T 1 端進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù) 。在幅值處理回路 , 有用電壓交流信號(hào)經(jīng)四階高通二階低通濾波, 將水利學(xué)噪聲干擾 、高頻雜波干擾濾掉, 再經(jīng)過微弱信號(hào)整流電路將其變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓信號(hào) , 用采樣保持電路把信號(hào)離散化, 經(jīng) AD570 變?yōu)閿?shù)字信號(hào)從8031 的P0口輸入 。這就是說幅值信號(hào)和頻率信號(hào)都進(jìn)入 8031后 , 進(jìn)行公式(4)的除法運(yùn)算和乘以系數(shù) K 的運(yùn)算 , 使乘后數(shù)值與理論的質(zhì)量流量相符 , 再進(jìn)行瞬時(shí)流量和累積流量的數(shù)字顯示 。8031 把運(yùn)算結(jié)果也同時(shí)送往 D/A0832 , 把數(shù)字信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào),再經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換 , 輸出 4 ～ 20 m A電流信號(hào)。

4、系統(tǒng)程序：
  從工作原理中可知 , 只要檢測(cè)出加法器輸出的交流電壓的幅值和頻率數(shù), 再經(jīng) 8031 進(jìn)行除法運(yùn)算和乘以系數(shù) K 的運(yùn)算就可以求出被測(cè)流體的質(zhì)量流量。系統(tǒng)程序框圖如圖 5 所示 ,其主要任務(wù)有 :(1)對(duì)加法器輸出的交流電壓信號(hào)的幅值進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;(2)對(duì)交流電壓信號(hào)的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù) ;(3)完成除法運(yùn)算求出被測(cè)流體的質(zhì)量流量 ;(4)消除水利學(xué)噪聲干擾 、 工頻和高頻干擾;(5)數(shù)字顯示瞬時(shí)流量和累積流量。

圖5系統(tǒng)程序框圖

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論：
   直徑為50 mm的漩渦式質(zhì)量流量計(jì)的氣體實(shí)驗(yàn)是在鐘罩上進(jìn)行的 。鐘罩是一種標(biāo)準(zhǔn)的氣體流量校驗(yàn)裝置, 將鐘罩內(nèi)充滿待測(cè)空氣后, 將漩渦式質(zhì)量流量計(jì)裝在出口管道上, 調(diào)節(jié)出口閥開度 。因鐘罩在下降過程中壓力保持穩(wěn)定 , 計(jì)算出下降時(shí)間就可算出標(biāo)準(zhǔn)的空氣體積流量。測(cè)出當(dāng)時(shí)的室溫、 空氣密度 , 將體積流量換算成質(zhì)量流量, 再和被校驗(yàn)漩渦式質(zhì)量流量計(jì)的指示值對(duì)比, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 6 。其中橫軸 qm s為標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量 ;縱軸 qm為質(zhì)量流量計(jì)顯示值。
  實(shí)驗(yàn)得知, 常壓下的質(zhì)量流量誤差在±1.46 %以內(nèi) , 變壓力實(shí)驗(yàn)因沒有標(biāo)準(zhǔn)壓力氣體標(biāo)定裝置,結(jié)果不十分理想, 但已經(jīng)證明了漩渦式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理是正確的。
  漩渦式質(zhì)量流量計(jì)突出特點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、壽命長(zhǎng), 除了測(cè)量液體質(zhì)量流量外 , 更適合于測(cè)量變組分氣體的質(zhì)量流量 。所以, 漩渦式質(zhì)量流量計(jì)必將在不久的將來(lái)成為一種具有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)能力的流量計(jì)。