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测量封闭管道气体流量计的研究
发布时间2019-09-19

摘要:文章采用压电晶体传感器利用卡门涡街原理♤设计了一种气体流量计的结构♤分别对气体流量测量仪结构的各个部分进行了分析⊙并对压电晶体产生的电荷信号进行处理♤分析和设计各个环节的电路⊙该流量计所用检测压电元件不接触气体♤适于恶劣环境、不易结垢♤耐高温、高压、安全防爆♤适用于测量封闭管道的气体累计流量和瞬时流量⊙
1气体流量的测量方法
国内仪表市场气体流量计常见的主要是以下几类
(1)差压式流量计
  差压式流量计是以伯努利方程和流体连续性方程为依据♤根据节流原理♤当流体流经节流件时(如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等)♤在其前后产生压差♤此差压值与该流量的平方成正比⊙只要能把节流机构前后的压差p1-p2取出来♤就可以测出流量⊙
(2)涡轮流量计
  涡轮流量计是比较精确的一种流量检测装置⊙当流体流经涡轮流量传感器时♤在流体推力作用下涡轮受力旋转♤其转速与管道平均流速成正比♤涡轮流量计的理论流量方程为

  式中♤nT为涡轮转速㊣qv为体积流量㊣A为流体物性(密度、粘度等)♤涡轮结构参数(涡轮倾角、涡轮直径、流道截面积等)有关的参数㊣B为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数㊣C为与摩擦力矩有关的系数⊙
(3)涡街流量计
  涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量♤如气体、液体、蒸气等多种介质⊙其特点是压力损失小♤量程范围大♤精度高♤在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响⊙无可动机械零件♤因此可靠性高♤维护量小♤仪表参数能长期稳定⊙涡街流量计流量方程可用下式表示

  式中♤f为旋涡的释放频率㊣v为流过旋涡发生体的流体平均速度㊣d为旋涡发生体特征宽度㊣St为斯特罗哈数♤无量纲♤它的数值范围为0.14-0.27⊙
(4)超声波流量计
  超声波流量计由超声波换能器、信号处理电路、单片机控制系统3部分组成⊙在有气体流动的管道中♤超声脉冲顺流传播的速度要比逆流时快⊙流过管道的气体速度越快♤超声顺流和逆流传播的时间差越大⊙分为时差式(测量顺流和逆流传播的时间差)、相差式(测量顺流和逆流传播的相位差)、频差式(测量顺流和逆流传播的循环频率差)、多普勒超声波流量计(以物理学中的多普勒效应为工作原理♤适合于对两相流的测量)⊙
(5)容积式流量计
  容积式流量计又称排量流量计(positivedisplace-mentflowmeter)♤简称PD流量计或PDF♤在流量仪表中是精度最高的一类⊙它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分♤根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量⊙容积式流量计的理论流量计算公式

  式中♤q为工况下的体积流量♤m3/s㊣n为旋转体的流速♤周/s㊣V为旋转体每转一周所排流体的体积♤m3/周⊙
  文中采用涡街流量计测量高温气体的流量♤下面通过分析气体流量传感器测量气体的原理♤设计其结构部分♤采用双压电晶体作为传感技术♤测量其频率信号⊙
2涡街流量计工作原理与结构设计
2.1工作原理
  涡街流量计是利用流体力学中卡门涡街原理制作的一种仪表♤如图1所示⊙
涡街流量计工作原理图
  把一个非线性对称形状的物体(如圆柱体、三角柱体、矩形柱体、六面柱体等♤以下简称漩涡发生体)垂直插在管道中♤流体绕过漩涡发生体时♤出现了附面层分离♤在漩涡发生体左右两侧的后方会产生漩涡♤形成涡列⊙
  由于漩涡之间相互影响♤漩涡列一般是不稳定的♤但卡门从理论上证明了当两漩涡列之间的距离h与同列的2个漩涡之间的距离L满足公式h/L=0.281时♤非对称的漩涡列就能保持稳定⊙此时漩涡的频率f与流体的流速及漩涡发生体的宽度d有下述关系

式中
v1———柱体两侧处的流速(m/s)㊣
d———柱体迎流面最大宽度(m)㊣
Sr———无量纲数♤在柱体形状确定后♤在一定的雷诺数范围内为常数♤称为斯特劳哈尔(Strouhal)数⊙
根据流动的连续性♤可知

式中
S1———柱体两侧流通面积(m2)㊣
S———管道整个流通面积(m2)㊣
v———管道内流体的平均流速(m/s)⊙
设流通面积比为n(当d/D<0.35时♤可认为n=1-1.25d/D)♤则

2.2结构设计
  气体流量计由传感器和转换器2部分组成♤如图2所示⊙
气体流量计结构图示
  图中传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件、仪表表体等㊣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、支架和防护罩等⊙旋涡发生体是检测器的主要部件♤它与仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性(压力损失)密切相关♤应选用优良的材料♤并使之具有良好的机械性能和抗腐蚀性能⊙
  本文设计的气体流量计采用压电元件作为检测元件⊙采用第一种检测方式⊙检测元件密封安装在发生体内部♤不接触被测气体⊙
3压电晶体测量原理
3.1压电传感器的结构形式
  在压电传感器中♤常采用2片或2片以上的压电材料组合一起使用的2种不同结构形式⊙一是2片压电片负极都集中于中间电极上♤而正极分别在上下2面电极上的并联连接形式⊙此时♤输出电容Ca'=nCa(n为并联压电材料片数♤Ca为单片电容)㊣输出电压Ua'=nUa(Ua为单片的电压)㊣输出电荷Q'=nQ(Q为单片电荷)㊣二是各单片压电元件正负极性顺序相连接的串联连接方式⊙此时♤输出电荷Q'=Q(Q为单片电荷)㊣输出电压U'a=nUa(Ua为各片的电压)㊣输出电容C'=Ca/n(Ca为单片电容)⊙显然♤并联接法的输出电荷量大♤本身的电容也大⊙因此♤其时间常数大(τ=CaR)♤适宜于测量缓慢变化的信号♤并且还适用于以电荷为输出量的场合⊙
3.2压电传感器的测量电路
  由于压电传感器的内阻抗很高、输出电信号很弱♤一般需将电信号经高输入阻抗的前置放大器放大再进行传输、处理和测量⊙前置放大器的主要作用是将压电信号经过前置放大器的阻抗变换成低阻抗输出♤也起到放大弱信号的作用⊙压电传感器的输出信号经过前置放大器的阻抗变换和放大后♤就可以采用一般的放大、检波指示或通过功率放大至纪录和数据处理设备⊙
  按照压电式传感器的工作原理及其等效电路♤传感器可堪称电压发生器♤也可以看作是电荷发生器⊙因此前置放大器也有2种形式一种是电压放大器♤一般称作阻抗变换器♤其输出电压与输入电压成比例㊣另一种是电荷放大器♤其输出电压与输入电荷成比例⊙
4结语
  本文在分析当前国内外几种流量计应用的基础上♤采取涡街流量计测量流量的原理测量高温气体的流量⊙针对压电传感器进行分析♤研究了利用压电晶体进行测量的原理♤并对其压电传感器的结构形式进行分析⊙由于时间原因♤以上的方案和设想并没有经过仔细的研究及严格的论证♤其实用性和可行性还有待于今后的深入研究⊙

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