專利名稱：渦街式流體流量檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于流體的流量或速度的檢測技術，更準確地說是屬于卡曼渦街原理的流量檢測方法及裝置。
應用流體力學中卡曼渦街原理研究開發的渦街流量測量儀表，自八十年代初面市以來。經過不斷革新完善和提高，使之成為一種具有國際先進水平的新型流量測量儀表。與其它流量儀表相比，它的特點是1、沒有可動部件，結構牢固而簡單，運行可靠，壽命長。
2、精度高，量程寬。
3、幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響，適于氣體、蒸氣、液體的流量測量。
4、具有運算、顯示、控制功能，并與計算機聯網。
渦街流量儀表根據不同的檢測方式，可分為熱敏式渦街流量計、壓電應力式渦街流量計、差動電容式渦街流量計、超聲波束式渦街流量計等，其中國內外產銷量最大應用面最廣的是應力檢測式和差動電容檢測式渦街流量計。不同的檢測方式將限定它的使用范圍。各種檢測方式之間的差別主要是產生渦街和檢測渦街頻率的方法不同，這也正是渦街流量儀表技術水平進一步發展的關鍵和難點所在。
以下介紹典型的現有技術(參見附
圖1、2)—壓電應力式渦街頻率檢測方式(或其他力敏檢測方式)的工作原理和存在的缺點卡曼渦街原理指出，在流體前進路徑中安放一個非流線型旋渦發生體，流體在發生體的兩側及后面交替地分離釋放出兩列規則的交錯排列的旋渦，形似街道，故稱渦街。在一定條件范圍內旋渦的頻率正比于流量。旋渦在生成和釋放過程中，發生體的兩側存在著交變的壓力，交變壓力的頻率與旋渦的頻率相同。旋渦頻率與流體流速成正比，與發生體迎流面寬度成反比。它們之間的關系如下式f＝St·(v/d)(1)式中f-旋渦頻率v-流體流速d-旋渦發生體迎流面寬度St-斯特拉哈爾系數旋渦的產生和釋放對旋渦發生體兩側產生交變壓力和環量力，環力使發生體內產生交變上升應力，交變的上升應力感知埋設在檢體內部的敏感器件，實現了力—電變換。因為敏感器件旋渦發生體是緊密裝配在一起，所以敏感器件在感知旋渦頻率的同時，也無可選擇地感知來自管道和流體攜帶的機械振動力(即噪聲)。在一定情況下(比如流速低于某一數值時)旋渦上升應力與噪聲應力混在一起無法分辨時，儀表就不能正常工作了，出現了檢測的“死區”。所以抗振能力低和小流量不能工作成了該檢測方式的缺點，這也是應力檢測技術機理所不能克服的。
如上所述，現有技術的缺點主要表現在一是“怕振”，由于儀表的應用總是在與機泵及其它生產機械相聯系的工況之中，所以機械振動的影響是不可避免的。而大多數“振源”的振動加速度都大于1.0g，振頻在0-600Hz左右。二是由于渦街頻率和渦能的大小是與流速(流量)成正比例的關系，在低流速(流量)的情況下，渦街的頻率很低和渦能微弱，所以作用在旋渦發生體的環量上升應力也隨之減弱，當弱到與機械干擾混在一起無法分辨時就出現了檢測的“死區”。從表一中可以看出絕大多數應力式渦流量計當流體流速降至0.3米/S以下時，流量計就不能正常工作了。盡管一些廠家在電路上做了一些處理，但在實際工作中，仍然不能達到予期效果。測量下限仍然降不下來。給用戶帶來不少的麻煩和不便，制約了渦街流量儀表應用領域的擴展。
本發明的目的就是提供一種新的渦街頻率檢測方法及裝置，在繼承和保持渦街流量計優點的基礎上，克服其“怕振”和“低流量時出現死區”的缺點，而且結構和工藝更加簡單易行，使渦街式流量檢測裝置的量程擴大而且成本降低。
如果將旋渦的發生和釋放變換成振幅足夠大的另外一物體振蕩，而物體的振蕩對噪聲又無動于衷的話，干擾就會被排除。基于這一構思，我們不再利用旋渦發生和脫落時對發生體產生的環量上升應力，而是利用渦發生和脫落時在發生體兩側產生的交變壓力，在發生體兩側間開一貫通的孔道，在孔道內放置一個球體，在交變壓力的作用下，孔道內流體與球體就會往復運動，運動的頻率與旋渦頻率相同，運動的位移與發生體寬度相當。而由管道或流體傳導的干擾振動噪聲是不能使球體發生位移的。這就有效地克服了振動噪聲的影響。球體浮在孔道的流體之中，與孔道中流體同步，不磨損、不耗能。只要有渦街的發生，柱體兩側就會有交變的壓力，孔道內就會有振幅足夠大的球體振蕩，很容易地實現機—電變換。
在如上所述構思的基礎上，本發明提供了全新的技術解決方案，其檢測渦街頻率的方法就是一種渦街式流體流量檢測方法，是在流體通過的管道中設置一個非流線形旋渦發生體，旋渦發生體具有一個和流體速度矢量垂直的迎流面，用以產生在旋渦發生體兩側交替地分離釋放出來的兩列交錯排列的旋渦即渦街，用一個設置在旋渦發生體內傳感器檢測得到的信號通過一個檢測系統檢測出旋渦發生的頻率，從檢測得到的頻率換算得到流體的速度和流量，其特征是所說的旋渦發生體的兩側面之間設置一個接近旋渦發生體迎流面的通孔，所說的通孔和所說的迎流面平行，通孔內設置一個自由懸浮的球體，當管道內的流體流動時，旋渦發生體兩側的交變壓力使通孔內的球體和流體在通孔內作周期地往復運動，用所說的傳感器和檢測系統檢測出球體的運動周期即頻率，就可以換算得到流體的速度或流體的流量。
為了克服重力和流體浮力對球體運動的影響，最好使球體的密度和流體的密度相同或相接近，這時通孔的壁就不會施加給球體附加的力。此外，旋渦發生體最好是垂直設置，而通孔的軸線則是水平設置。
在如上所述構思的基礎上，本發明提供了全新的技術解決方案，其檢測渦街頻率的裝置就是一種渦街式流體流量檢測裝置，包括流體通過的管道，管道內設置的非流線形旋渦發生體，旋渦發生體具有一個垂直于流體流速矢量的迎流面，所說的旋渦發生體內設置有檢測渦旋的頻率的傳感器，傳感器信號通過一個檢測系統檢測得到旋渦發生的頻率，其特征是所說的旋渦發生體的兩側之間有一個接近旋渦發生體迎流面的通孔，所說的通孔和所說的迎流面平行，通孔內有一個自由的懸浮球體，所說的傳感器檢測得到球體在通孔中往復運動所產生的信號，所說的信號由電纜傳輸到所說的檢測系統，通過檢測系統檢測得到旋渦發生的頻率，由檢測得到的頻率換得到流體的速度和流量，流量的信息通過顯示系統顯示。
以下依據附圖對本發明的實施例加以詳細的說明。
圖1是卡曼渦街原理的剖面示意圖，其中1是流體流過的管道，2是旋渦發生體，3是迎流面，4是渦街，箭頭表示流體流速矢量的方向，D表示管道直徑，d表示迎流面的寬度。
圖2是現有技術中的應力檢測式的渦街流量計的結構示意圖，其中5是應力桿，6是傳感器，該例中是壓電晶體，7是信號電纜，垂直的箭頭表示升應力，環形的箭頭表示環向力。
圖3是本發明的渦街式流體流量檢測裝置的結構示意圖，其中8是通孔，9是球體。
圖4是本發明選擇的最佳旋渦發生體的截面圖，其中L表示旋渦發生體截面的總長度，b表示矩形部分的長度，θ表示三角形部分的頂角。
圖5是在15℃的水中三種發生體截面形狀的斯特拉哈爾系數St試驗曲線，橫軸是雷諾數Re，縱軸是St系數，實線是本發明的矩形+三角形，虛線是三角形，點劃線是圓柱體。
圖6是本發明蝸街流量檢測裝置的測量精度曲線，橫軸是流量Q，縱軸是誤差，上面的曲線是18℃的氣體，下面的曲線是16℃的水。
為了更好地控制渦街來發生，本發明還對旋渦發生體的截面形狀進行了研究，從中選擇了最簡單的截面幾何形狀，即矩形加三角形，也就是旋渦發生體的截面在迎流面一端為一矩形，另一端是等邊三角形。三角形的底邊和矩形的長邊就是迎流面的寬度d，等邊三角形的頂角為θ，從三角形頂角到迎流面的長度為L，矩形的短邊為b，所以等邊三角形的高度就是L-b。在試驗中所選擇的參數對于水是d/D0.262～0.281；L/D0.3～0.4；θ40～50°；通孔直徑和b的比例0.55～0.75，球體的直徑稍小于通孔直徑。在氣體中d/D0.12～0.28；L/D0.12～0.4；θ40～60°；通孔直徑和b的比例0.55～0.75。
由于球體的往復運動的幅度可以足夠大，基本上可以相當于通孔的長度，也就是迎流面的寬度d，所以多種能產生電信號的傳感器都可以使用，本發明中試驗和使用了光電檢測式、電磁感應和超聲波調制式。下面分別加以說明光電檢測式適用介質溫度在-20℃～+80℃的水或輕質油品中應用。傳感器是光電傳感器，設置在所說的通孔當中的一個側邊，在和傳感器相對的另一個側邊設置一個發光源(圖中未示出)，發光源發出的光線通過所說的通孔可以被光電傳感器所接收，所說的檢測系統是由電路組成，所說的電路通過光電傳感器信號的周期變化檢測得到旋渦發生頻率。實際上光電傳感器可以用光敏二極管，發光源可以是發光二極管，如砷化鎵可以和硅光敏二極管配套使用。球體的材料應對發光源不透明，這時信號就是周期地通斷。
電磁感應式適用介質溫度在-20℃～+300℃的不含鐵磁物質的水、氣、蒸氣及油品中應用。傳感器是檢測磁頭，設置在所說的通孔當中的一個側邊，所說的球體用磁性材料制作，磁性球體在通孔當中的往復運動所產生的磁場周期變化，可以被所說的磁頭所感知，所說的檢測系統是由電路組成，所說的電路通過磁頭信號的周期變化檢測得到旋渦發生的頻率。
超聲波調制式適用介質溫度在-20℃～+350℃的水、蒸氣、氣中應用。這時傳感器是超聲波換能器，設置在所說的通孔當中的一個側邊，所說的檢測系統包括發送器、接收器和解調器等電路，當所說的球體在通孔中往復運動時，產生超聲波換能器周圍超聲介質的周期變化，通過接收器接收到被調制超聲信號的周期變化，可以檢測得到旋渦發生的頻率。
本發明的渦街頻率檢測技術擴大了量程，尤其是擴展了下限流量(低流速)，根據流體力學中推薦的數據，穩定的渦街只有在流體的雷諾數Re為2×103～6×106范圍內才能產生。經過換算在上述的雷諾數范圍內管道中流體的流速應是0.058米/秒-9.8米/秒。(水)實驗結果表明振球式渦街頻率檢測技術在上述的范圍內均能正常工作。量程比可以作到1∶160，比壓電應力檢測方式的最低流速降低了0.25米。做到了有流必動，消除了“死區”(表一所示)。
用本發明的渦街流量計進行過機械振動干擾的試驗，將儀表安裝在排量400m3/小時壓力4.5Mpa高壓離心水泵出口端3米處、不加裝任何減震措施的管路上，機泵與管道上的振動加速度為32g，振頻50Hz，機泵葉輪擊水振頻為50-300Hz。試驗結果表明，流速在0.05米/秒-9米/秒的范圍內，儀表顯示正常，體積流量誤差均小于1.0％。
實踐結果證明振球式渦街頻率檢測技術穩定可靠，克服了應力式、電容式、超聲波束式渦街頻率檢測的“怕振”和低流速出現“死區”的弊端。是值得肯定和推廣的一種新型渦街頻率檢測技術。
應用振球式渦街頻率檢測技術開發的渦街流量計，已試生產出近百臺，在石油、化工、冶金、電力、市政等工程中試用效果良好。其結果如下1、運行可靠、不堵、不卡、基本上免維修。
2、精度高，適于在生產工藝過程控制系統中與計算機聯網應用。
3、量程比寬，可以做到1∶160，滿足了試用者的需要。
4、抗干擾能力強，可以在具有較強機械振動和電磁聲干擾條件下正常工作。
5、成本合理，基本處于同類產品的平均價格，未來的用戶樂于接受。
雖然本發明是以上述的實施例加以具體和詳細說明的，但是本發明并不僅僅限于這些實施例，本技術領域的普通技術人員，在看過本發明說明書以后，所能想到的任何變形的渦街頻率檢測技術方案，只要是利用于本發明的基本構思，都應當認為是在本件專利的保護范圍之內。
權利要求
1.一種渦街式流體流量檢測方法，是在流體通過的管道中設置一個非流線形旋渦發生體，旋渦發生體具有一個和流體速度矢量垂直的迎流面，用以產生在旋渦發生體兩側交替地分離釋放出來的兩列交錯排列的旋渦即渦街，用一個設置在旋渦發生體內傳感器檢測得到的信號通過一個檢測系統檢測出旋渦發生的頻率，從檢測得到的頻率換算得到流體的速度和流量，其特征是所說的旋渦發生體的兩側面之間設置一個接近旋渦發生體迎流面的通孔，所說的通孔和所說的迎流面平行，通孔內設置一個自由懸浮的球體，當管道內的流體流動時，旋渦發生體兩側的交變壓力使通孔內的球體和流體在通孔內作周期地往復運動，用所說的傳感器和檢測系統檢測出球體的運動周期即頻率，就可以換算得到流體的速度或流體的流量。
2.如權利要求1所述的渦街式流體流量檢測方法，其特征是所說的球體的密度和流體的密度相同或相接近。
3.一種渦街式流體流量檢測裝置，包括流體通過的管道，管道內設置的非流線形旋渦發生體，旋渦發生體具有一個垂直于流體流速矢量的迎流面，所說的旋渦發生體內設置有檢測渦旋的頻率的傳感器，傳感器信號通過一個檢測系統得到旋渦發生的頻率，其特征是所說的旋渦發生體的兩側之間有一個接近旋渦發生體迎流面的通孔，所說的通孔和所說的迎流面平行，通孔內有一個自由的懸浮球體，所說的傳感器檢測得到球體在通孔中往復運動所產生的信號，所說的信號由電纜傳輸的所說的檢測系統，通過檢測系統檢測得到旋渦發生的頻率，由檢測得到的頻率換得到流體的速度和流量，流量的信息通過顯示系統顯示。
4.如權利要求3所述的渦街式流體流量檢測裝置，其特征是所說的傳感器是光電傳感器，設置在所說的通孔當中的一個側邊，在和傳感器相對的另一個側邊設置一個發光源，發光源發出的光線通過所說的通孔可以被光電傳感器所接收，所說的檢測系統是由電路組成，所說的電路通過光電傳感器信號的周期變化檢測得到旋渦發生的頻率。
5.如權利要求3所述的渦街式流體流量檢測裝置，其特征是所說傳感器是檢測磁頭，設置在所說的通孔當中的一個側邊，所說的球體用磁性材料制作，磁性球體在通孔當中的往復運動所產生的磁場周期變化，可以被所說的磁頭所感知，所說的檢測系統是由電路組成，所說的電路通過磁頭信號的周期變化檢測得到旋渦發生的頻率。
6.如權利要求3所述的渦街式流體流量檢測裝置，其特征是所說傳感器是超聲波換能器，設置在所說的通孔當中的一個側邊，所說的檢測系統包括發送器、接收器和解調器等電路，當所說的球體在通孔中往復運動時，產生超聲波換能器周圍超聲介質的周期變化，通過接收器接收到被調制超聲信號的周期變化，可以檢測得到旋渦發生的頻率。
7.如權利要求3、4、5、6之一所述的渦街式流體流量檢測裝置，其特征是所說的旋渦發生體的迎流面是平面，旋渦發生體的截面在迎流面一端為矩形，另一端是等邊三角形。
全文摘要
利用卡曼渦街在產生和釋放過程中對旋渦發生體兩側產生交替變化的壓差，在旋蝸發生體兩側間開一檢測通孔，并放置一球體。當交替變化的壓差使通孔中的流體及球體作往復運動時，用傳感器將其往復運動的頻率檢測出來。經簡單運算即可測出流體的流量。由于將卡曼旋渦的運動變換為同頻率的球體的較大振幅的直線運動。有效的克服了現有應力檢測方式的流量儀表存在的“怕振”和低流速(小流量)時的不靈敏區，即測量“死區”的缺點。擴展了量程，提高了精度。增加了儀表工作范圍。
文檔編號G01F1/32GK1168467SQ9710400
公開日1997年12月24日 申請日期1997年4月15日 優先權日1997年4月15日
發明者翟桂宸, 胡健美 申請人:哈爾濱恒新實業發展有限責任公司