1 引 言
涡街流量传感器具有结构简单、无可动部件、重复性好、压力损失小等优点,并且其输出频率信号和流速成线性关系,所以,越来越受到人们重视,从其在流量市场占有率逐年提高就可以得到验证。
涡街传感器主要用来测量流体的工况体积流量,但实际需求大多是计量流体的质量流量,为此,当前流行的方法是通过测出流体体积流量和其密度,然后,将二者相乘间接测量质量流量。体积流量的测量可用涡街流量传感器来实现,而密度的测量比较复杂,通常先通过压力变送器及温度传感器(或温度变送器)测量介质压力和温度,经二次仪表(或计算机)用软件计算出介质密度,进而算出质量流量[1]。这种方法有一定的局限性,只有被测介质的密度和温度、压力关系是已知的,如蒸汽可以根据国家标准在不同的范围内拟合出蒸汽密度和温度、压力公式,或通过查表的方法来实现。但是,有时介质的密度和温度、压力的关系是不确定的,如混合均匀的多相流,各种成分构成比例随时变化,就不能找到合适公式和表格。若用科里奥质量流量计价格昂贵,中小企业一般不采用。
能否用简单的方法对介质密度进行补偿呢?为此,笔者对涡街传感器做了大量实验,在此基础上,提出用涡街压电晶体信号的电压幅值直接进行密度补偿的新方法。
2 幅值补偿介质密度的原理
涡街流量传感器是采用“卡曼涡街”原理制成的,如图1所示。在封闭的圆管内,垂直于流体的流向上放置旋涡发生体(通常为圆柱体、三角柱体或梯形柱体),当流体的流速达到一定的数值时,会在旋涡发生体的下游的两侧产生两排交替出现的旋涡列。当旋涡具有稳定的陈列,且同列相邻旋涡间距离L与两列间距离H的比值L/H =0.281时,产生的旋涡是稳定的。这种稳定而有规则的旋涡列为“卡曼涡街”。
另外,根据流体力学原理,卡曼旋涡作用到传感器探头的力,和介质的平均流速v、介质密度ρ、受力面积A间关系式为:
3 实验数据验证
根据上述的原理选口径为50mm的涡街样机,传感器探头选用立片式结构,其信号大,可以等效为交流电压源。在以罗茨鼓风机为气源的空气流量标定装置上进行实验,用数字示波器测量原始涡街压电晶体信号的电压幅值Vm,见图2;并将信号进行频谱分析测出涡街频率f(如图3),同时记录气体的压力值P,实验时气温为21℃。根据下式计算出空气的密度。
将记录的实验数据和计算结果,制成表1。
工况气体的体积流量LV和涡街频率f是线性关系,由式(2)算出。进而将工况气体的密度和工况体积流量相乘,得到理论质量流量Lm。根据式(6)由涡街信号的幅值和涡街的频率计算出质量流量(其中K为5 080)Lmt,是由涡街信号幅值补偿得到的质量流量。将Lm和Lmt进行比较计算出绝对误差和相对误差。
从表中数据可以看出,由涡街信号幅值进行补偿气体密度得到的质量流量和理论值基本一致。但有些点的误差偏大。为此,作者进一步分析涡街信号,由涡街信号频谱分析测量到的涡街频率是准确的,和同一管道串联的涡街传感器的频率一致,其误差很小;而涡街信号的幅值测量,是由示波器读出的,当介质的流速较大时,会出现脉动流,此时,幅值大小随脉动流的变化而变化,这时涡街信号幅值的测量存在人为读数误差(如图4所示)。
4 信号处理电路
压电晶体将涡街信号转换成电荷(也可以等效为电压)信号,先经过一级电荷放大电路将电荷信号变为电压信号,如图5所示。A1为电荷放大电路。A2,A3两级组成精密全波整流电路,将交变的涡街信号变成直流信号,再经过滤波和A/D转换, CPU采集压电晶体的幅值信号。另外一路信号处理电路就是普通的涡街放大电路,滤除低频和高频的干扰信号[5],对信号进行自动增益控制放大,最后整形为方波,由CPU测出其频率。通过程序按照式(6)计算出流体的质量流量,并进行累加、输出和显示等操作。
5 结 论
上述理论推导和实验数据都说明涡街信号中包含了流体的流速和流体的密度的信息,所以,可以通过测量涡街信号的方法测量流体的质量流量。但是,作者在实验时也发现一些问题:如传感器探头有分散性,有的信号大,有的信号小。这是由于封装传感探头都是手工加工,晶片的定位、绝缘材料的填充和用胶固定等操作时误差比较大。所以,要对每个传感探头进行测试,确定其受力和压电晶体信号幅值的关系,仪表出厂时要每台标定。
[参考文献]
[1] 张香秋,马其宇,张红梅.浅谈涡街式气体流量计的温度、压力补偿[J].化工自动化及仪表, 2002, 29(4): 85.
[2] 孙淮清,姜仲霞.流量测量技术与仪表选用讲座[J].自动化仪表, 1998, (9): 43.
[3] 纪 纲.流量测量仪表应用技巧[M].化学工业出版社,2003. 212.
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[5] 黄咏梅,张宏建,等.用简单系数滤波器处理涡街信号的方法[J].化工自动化及仪表, 2002, 29(6): 55.
