一種利用渦激振動的測速儀及測量方法與流程
2023-06-09 16:27:06
本發明涉及利用渦激振動的測速儀及測量方法，屬於流速測量領域。
背景技術：
隨著人類對自然的探索，大量的未知現象等待著我們去發現和研究，而實驗是探索未知世界最好的方法和手段。水佔了自然界很大的空間，在水中的種種現象需要我們的研究，而海洋工程和水下工程的實施也需要大量實驗進行驗證，而這些水中進行的實驗需要合適、精確的實驗儀器作為輔助。流速是在水下進行實驗的一個重要因素，目前測流速的設備通過壓力以及帶動可旋轉的螺旋槳或杯狀結構物進行測試，這類結構較複雜且結構較大，同時，隨著所測流速的增加，傳統的測速儀體積會越來越大，無法在小容器內進行布置。在實驗室中，包括循環水槽這類環境下，傳統的流速儀無法較好地進行布置，這類裝置受到極大的使用限制。考慮到鈍形結構物在水流等作用下會發生往復運動，稱之為渦激振動，隨著流速的變化，結構物的振動頻率和振幅有這一定的規律，利用這種規律能夠因此在此提出一種結構輕巧，能夠應用於不同實驗環境下的利用渦激振動的測速儀。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種利用渦激振動的測速儀及測量方法，整體結構簡單、輕巧，在實驗工程中對其它設備的影響小，製造成本低，安裝方便，由於結構較小，適用範圍更廣。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種利用渦激振動的測速儀，包括框架，所述框架上安裝有一對彈簧片，在兩個彈簧片之間安裝有振動杆，在振動杆的一端安裝有永磁體，在框架上安裝有安裝板，安裝板上與永磁體對應位置安裝有線圈，線圈與電路板連接，電路板與控制器連接。
作為優選，所述框架為門型支架。
作為優選，所述控制器還與led顯示屏信號連接。
作為優選，所述安裝板上設有線圈槽，在線圈槽內安裝有線圈支架，在線圈支架上設有若干組線圈支撐孔，在線圈支撐孔內安裝有線圈杆，在線圈杆上纏繞著多匝線圈。
作為優選，所述彈簧片的截面為矩形狀，彈簧片插入在框架上。
作為優選，所述彈簧片和振動杆的材料為碳纖維，最大程度減小結構的質量，因為隨著質量的減小，振動杆發生渦激振動時具有更大的振幅，從而保證振動時振動杆具有足夠大的振幅，進而保證低流速下的測試準確性，如有必要，可在彈簧片上增加跨接橫梁以提高剛度防止發生扭轉。
一種上述的利用渦激振動的測速儀的測速方法，包括以下步驟：
(1)利用得到振動時程曲線y＝f(t)，其中無量綱參數y＝ay/d，τ＝tωst，d為圓柱體的直徑，τ為無量綱時間，ωst為瀉渦圓頻率；此外，式中定義結構阻尼比ξ，無量綱頻率比d＝ωnωst＝1(urst)，ur為無量綱約化速度，st為斯特勞哈爾數，流體阻尼參數γ＝cd/(4πst)，cd為拖曳力係數，無量綱質量比參數μ＝(ms+ma)/ρd2，質量比m*＝4(ms+mf)πρd2，ms為結構質量，mf為附加流體質量，耦合參數m＝cd0(4π2st2q02μ)，h為流體參數，通過振動曲線得到振動頻率和振幅和流速的對應關係，製作流速的資料庫；
(2)將整個裝置放入到水流中，振動杆在流體作用下產生渦激振動，進一步產生感應電流；
(3)通過感應電流計算振動杆的振幅ay和頻率ωst；
(4)根據振幅ay和頻率ωst與資料庫中匹配得到對應的流速。
在本發明中，通過利用水流通過鈍狀結構物會發生渦激振動這一現象，將振動杆引起的渦激振動傳遞給磁體，通過多個感應線圈與永磁體之間的相對運動捕獲振動杆的振動頻率和振幅。由於隨著流速的變化，振動杆的振動幅度和頻率存在一定的規律，通過電路和微處理器的分析，從資料庫中提取振幅、頻率和流速之間的相應關係，反推流速並將該流速及時顯示在led屏上，或通過藍牙發回計算機進行記錄。當振動杆在水流作用下發生渦激振動往復上下運動時，帶動永磁體切割感應線圈模塊內的多個線圈，通過電路模塊內置的微計算器獲取產生電流的大小和頻率，進而能夠進而計算出振動杆的速度和幅度，進一步通過已有流速——振動響應的資料庫獲取水流的速度並立刻將該數據反饋到電路模塊的led屏進行顯示。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1.整體結構簡單、輕巧，在實驗工程中對其它設備的影響小，製造成本低，安裝方便。由於結構較小，適用範圍更廣。
2.渦激振動引起的振動幅度和頻率隨著流速的變化在結構的阻尼、質量、剛度、邊界等因素固定的情況下，存在不變的規律，用該規律對流速進行測量準確。
附圖說明
圖1是本發明的整體結構爆炸示意圖；
圖2是本發明的支架示意圖；
圖3是本發明的彈簧片示意圖；
圖4是本發明的振動杆示意圖；
圖5是本發明的線圈支架示意圖；
圖6是本發明的感應線圈示意圖；
圖7是本發明的電路盒示意圖；
圖8是本發明的保護蓋示意圖；
圖9為測量原理圖；
圖10為0.2m/s在均勻流作用下的變化曲線。
具體實施方式
如圖1至圖8所示，本發明的一種利用渦激振動的測速儀，包括支架1、彈簧片2、振動杆3、感應線圈部分4、電路部分5和保護蓋6。所述支架1包括門型支架11、功能模塊盒12、支撐孔13、電路槽14和感應線圈槽15。支架用於固定整個測速儀，可以用磁片或雙面膠等吸附在適當的位置進行流速測定。
在本發明中，彈簧片2包括彈簧薄片21和頂端的圓孔22，彈簧薄片21與支架1的支撐孔配合固定。所述振動杆3包括振動圓柱體31和永磁體32，振動圓柱體31與彈簧片2的圓孔22配合固定。當水流通過振動杆3時，由於發生渦激振動永磁體32會隨著振動圓柱體31發生上下往復運動。
在本發明中，在框架上安裝有安裝板，安裝板上設有線圈槽，線圈槽上與永磁體對應位置安裝有線圈，密封蓋用於防止感應線圈部分進水，密封蓋蓋在線圈槽上。線圈部分4包括線圈支架41、線圈支撐孔42，線圈杆43和線圈44，多匝線圈44纏繞在線圈杆43上後，多組感應線圈支撐在對應的線圈支撐孔42上，與線圈支架一起蓋上絕緣的密封蓋後組成線圈部分用於感應永磁體32的運動。當永磁體32上下運動時，會切割多組線圈產生強度、頻率不一致的電流。多組線圈能夠保證在不同流速下均能獲取振動信息，準確對流速進行測量
在本發明中，電路部分5包括電路盒51以及等大小的led屏，led屏四周通過膠水防水，當產生的電流傳遞到電路部分後，通過電路盒51中的電路板和微型處理器的分析以及資料庫的反饋，可以得到相應的流速並反饋至led屏進行顯示。
在本發明中，保護蓋6在裝置不使用時對振動杆和彈簧片加以保護，防止振動杆表面粗糙度和彈簧片的損壞影響振動的振幅和頻率，所述保護蓋非必要裝置，僅用於裝置使用過程中的保護。電路模塊、感應線圈模塊以及彈簧片和振動杆的均以模塊的形式存在，安裝和生產方便，減少製造成本。
如圖9所示，當水流通過振動杆時，會迫使振動杆發生渦激振動，產生垂直於來流方向的往復振動，並且在振動杆後方產生交替瀉放的旋渦，一種上述的利用渦激振動的測速儀的測速方法，包括以下步驟：
(1)利用得到振動時程曲線y＝f(t)，其中無量綱參數y＝ay/d，τ＝tωst，d為圓柱體的直徑，τ為無量綱時間，ωst為瀉渦圓頻率；此外，式中定義結構阻尼比ξ，無量綱頻率比d＝ωn/ωst＝1/(urst)，ur為無量綱約化速度，st為斯特勞哈爾數，流體阻尼參數γ＝cd/(4πst)，cd為拖曳力係數，無量綱質量比參數μ＝(ms+ma)/ρd2，質量比m*＝4(ms+mf)/πρd2，ms為結構質量，mf為附加流體質量，耦合參數m＝cd0/(4π2st2q02μ)，h為流體參數，通過振動曲線得到振動頻率和振幅和流速的對應關係，製作流速的資料庫；
(2)將整個裝置放入到水流中，振動杆在流體作用下產生渦激振動，進一步產生感應電流；
(3)通過感應電流計算振動杆的振幅ay和頻率ωst；
(4)根據振幅ay和頻率ωst與資料庫中匹配得到對應的流速。
通過對這個式子在不同來流作用下進行求解，可以得到振動時程曲線，圖10為0.2m/s在均勻流作用下的變化曲線，從該圖的數據可以得出在這個流速下振動杆的振動幅度和頻率。
通過對上述的式子在不同來流作用下進行求解，可以得到振動時程曲線，圖10為0.2m/s在均勻流作用下的變化曲線，從該圖的數據可以得出在這個流速下振動杆的振動幅度和頻率。通過對不同流速的流速進行計算，可以得出一個全面的資料庫，裡面包括所有流速下振動杆在發生渦激振動時的振幅和頻率。
本發明的電路部分包含上述資料庫，當振動杆在發生振動產生感應電流後，微型處理器通過分析振動頻率和振動幅度，可以從資料庫中尋找到對應的流速，進行選取校核後，在led顯示屏上進行反饋。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。