1引言

涡街流量传感器是近30年迅速发展起来的流量仪表,与传统的孔板流量计相比,有一系列独特的优点。在使用过程中,涡街传感器准确度高、结构简单、无可动部件、重复性好、压力损失小,并且其输出频率信号和流速成线性关系,同一台涡街传感器用于测量不同介质,其仪表常数不变,所以,越来越受人们重视。涡街传感器输出频率信号和被测介质的流速成正比,也就是和流体的工况体积流量成正比,所以,主要用来测量体积流量。但实际需求大多是计量流体的质量流量。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,流行的方法是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。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。

笔者对涡街传感器做了大量实验,在此基础上,提出用涡街作用力直接进行密度计算的新方法。

2涡街作用力密度补偿的原理

2.1传感器结构

传感器结构图如图1所示,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H/L=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”。

2.2理论推导

由“卡曼涡街”原理可知,单列旋涡的频率f和被测流体的流速v之间呈现如下关系:

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和受力面积A间关系式为:

由于流体质量流量Qm为体积流量Qv乘以密度:

即质量流量和压电晶体信号的幅值成正比,和涡街的频率成反比,λ定义为质量流量的仪表系数是常数。

2.3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,可以将其等效为交流电压源。在以罗茨鼓风机为气源的空气流量标定装置上进行试验,用数字示波器测量原始涡街压电晶体信号的电压幅值Vm,并将信号进行频谱分析测出涡街频率f,如图2所示,同时记录气体的压力值P,实验时气温为21℃。

根据气态方程可知,同一气体两状态符合如下公式:

标准状况时:T0=293,P0=0.101325MPa,气体体积为V0。

工况时:T1=237+t,P1=P+0.101325MPa,体积为V1。

代入上式,得到压缩比,再乘以标准状况时密度1.2041kg/m3,即得到工况气体(压力为P(表压),温度为t时)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,由涡街公式算出。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(7)式由涡街信号的幅值和涡街的频率计算出质量流量(其中λ为5080,由标定设备的标准表测得流量,经运算得到)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1中可以看出,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,但有些点的误差比较大,是什么原因造成的?为此我们对测试过程作如下分析:由涡街信号进行频谱分析测量到的涡街频率是准确的,误差很小;而测量涡街信号的幅值时,由于脉动流的存在,幅值大小在变化,这时幅值的测量误差就很大,如图3所示,这是示波器显示的压电晶体信号,这时读出的数据误差就比较大。

从图1中右边的频谱图可以看到除了涡街信号的谱线外,还有高频的干扰谱线,经分析发现是介质高流速时波动的原因之一。

3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4所示。电荷放大电路输出分两路,一路将信号定值放大,其输出送到DSP的A/D输入端,DSP对此信号进行FFT变换;另一路进行含自动增益控制的放大电路,将交变的涡街信号放大,再经过滤波电路滤去高频的干扰信号,最后得到涡街信号的方波信号,由CPU测出其频率f。由涡街的频率值将FFT变换的结果对应的频谱幅值算出,此值和涡街作用力线性关系,通过程序按照(4)式计算出流体的质量流量,并进行累加、输出和显示等。

经过信号处理后,重复做上述实验,将数据处理后得到相对误差E′(%),见表1的最后一列,可以看到E′比E要小。

4结论

理论推理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进行测量流体的质量流量。但是,作者在实验时也发现一些问题:首先是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。为了减小传感探头的分散性,作者和厂家正在研究实现封装探头的工艺规范化、机械化,尽量减少人为误差,并用先进手段对产品测试,做到产品性能的一致性高。

压电晶体长时间使用后,信号会有所衰减,所以,厂家为此专门上了一套老化设备,确保产品出厂都经过老化处理,信号衰减在允许的范围内。另外,由于实验条件的限制,压力变化范围较小。

摘自：中国计量测控网