雙渦體渦街流量變送器的製作方法
2023-05-06 09:41:26
專利名稱：雙渦體渦街流量變送器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於測量油、氣、水流量的流量測量儀器。
渦街流量測量法，基於它應用流體旋渦力學原理與電子檢測技術，具有其它類型流量測量法所不能同時兼有的許多優點，因而受到國內外的極大關注，被公認為是一種具有廣闊發展前景的流量測量方法。
但是，目前採用的圓柱、三角柱、方柱、T形柱及組合柱型等旋渦發生體，其形狀為單一柱體，雖然也能產生用於檢測的旋渦脫落，但還存在著旋渦分離頻率隨流體的雷諾數而移動及渦列尾流混亂，容易產生扭曲或消失等缺點。這種尾流混亂現象又對旋渦的交替生成產生反饋作用，使旋渦分離頻率與流速不成正比。渦列尾流混亂的結果，還對旋渦的有規律釋放產生影響，使得旋渦釋放、流動不規則，造成測量不準，影響流量計的精度和重複性，妨礙了它的大力推廣使用。
本實用新型的目的在於設計一種斯特羅哈爾數恆定性較高，旋渦強烈、穩定、阻力係數小的雙渦發生體以及與此配合的渦街流量測量傳感器，以提高測量精度和重複性。
本實用新型由兩部分組成1.雙渦發生體，2.渦街流量測量傳感器。
兩個渦發生體沿來流方向順序排列在管道中。第一個渦發生體的作用是用來產生強烈的旋渦信號，和單渦發生體的作用基本相同。因此我們把第一個渦發生體的結構定為方柱型。這種柱型能夠產生強烈的旋渦，其後方的流體靜區相對也較大，形狀簡單。但其壓損比較大。這個缺點可以通過第二個渦發生體進行一些補償。實驗得出，方柱型渦發生體最佳尺寸比例。
(d)/(D) ＝0.24——0.26式中d——方柱型渦發生體的迎流面寬度；D——流量計的口徑。
寬厚比為(h)/(d) ＝0.4——0.7式中h——方柱型渦發生體的厚度。
由於渦發生體2是與渦發生體1之間形成流體相互作用，達到增強、穩定旋渦的目的，並能提供有效的檢測方式和手段。根據旋渦生成後，渦發生體後壓力分布規律，當渦發生體1選擇為方柱型時，其後存在一個流體停滯區，隨著旋渦的交替放出，停滯區也隨之左右擺動。因此我們設計出一種能感應這種擺動的渦發生體2結構，為其左右對稱的懸軸式結構，它的兩臂2A和2B既充當旋渦信號的穩定結構，又充當其感測元件(如附圖1所示)。
具有這種型式的雙渦發生體結構置於管道內時，其流體流動狀態如附圖2所示。
由圖可以看出，兩渦發生體之間存在一個間隙G，充當流體相互作用區。當流體流過時，在G內產生一個流體停滯區S。當有旋渦交替生成時，停滯區也隨之左右移動，使得第二個渦發生體的兩臂交替受力，來回作微小擺動，其頻率與旋渦釋放頻率相同，通過測其擺動頻率就可以得出旋渦分離頻率。
渦發生體2尺寸參數的確定，可根據卡門渦街的排列，渦列寬度H與渦發生體迎面寬度d之間的比例關係，對方柱體而言，取H＝1.2－1.8d。
根據附圖2流體流動示意圖，旋渦處(即低壓區)應位於渦發生體2的外側，所以渦發生體2的寬度d′應滿足d＜d′＜H。
其厚度h′的確定主要考慮受力狀況及安裝要求對感測旋渦信號沒什麼影響，取h′＝6－10mm。
渦發生體2兩臂寬度b直接影響感測信號的能力，綜合考慮其受力狀況及反饋作用的特點，並結合渦發生體1的尺寸確定之。取b＝12－18mm。
二、旋渦檢測傳感器由雙渦體在管道內形成的流體流動狀態(附圖2)可以看出，兩渦體之間存在一個間隙G，充當流體相互作用區。當流體流過時，在G內產生一個流體停滯區S。附圖2b表示當有旋渦從左邊放出的情況。在旋渦處，速度高，而壓力低。這種低壓區的出現，使得停滯區S向左偏移，造成大量流體湧向右懸臂2B，並對其產生推力，形成一個逆時針轉矩。
附圖2C的情況與附圖2b正好相反，流體衝擊左懸臂2A，產生一個順時針轉矩。
由此看出，當有旋渦交替生成時，停滯區也隨之左右移動，使得第二個渦發生體的兩臂交替受力，來回作微小擺動，其頻率與渦釋放頻率相同。因而我們可以通過檢測渦發生體2的擺動頻率來獲得旋渦釋放頻率，相當於扭轉頻率的測量。實驗證明這是一種非常有效的檢測方式，比直接測量具有更多的優點1.避免了在管道內直接測量旋渦信號容易受流體流動噪聲及流動狀態脈動等幹擾信號的影響；2.克服了直接測量旋渦信號比較弱，測量不準的缺點；3.不受旋渦信號尾流混亂的影響，因此其信號頻率測量精度比比較高，更接近於實際情況。
傳感器的作用是感測旋渦分離信號，並把它轉變為電荷信號，輸送給前置放大器。如前所述，我們採用的雙渦體結構，已經把旋渦分離信號的測量轉變為渦體2振動頻率的測量。接著就是要把這種振動頻率檢測出來，變成電荷信號。
我們選擇PZT系壓電陶瓷作為壓電材料，把振動信號轉變為電電荷信號。採用方片形結構，並兩邊附有銀電極以供引線。
所設計的傳感器的原理結構如附圖3所示。其壓電元件電極聯線及工作時受力狀態如附圖4所示。
如附圖3，傳感器是由以下部分組成的傳動軸3固定在渦發生體2上，5、6、7、8是四塊薄絕緣板，壓電片P1、P2、P3、P4夾在四塊薄絕緣板之間，12、13是予緊板，通過螺釘給壓電元件層狀結構施加一個予緊力。
當有旋渦生成時，渦發生體2兩臂分別受到交替力的作用，產生一個交變轉動力矩，這個轉動力矩傳給傳動軸3，使之左右擺動，產生一對平行力F1、F2(見附圖4)，分別作用在壓電片上。由於壓電片是提前予緊的，當力F1、F2產生時，壓電片P2、P3受壓，P1、P4受拉。由於壓電晶體的壓電效應，其表面分別產生正負電荷，實現了力到電荷的轉換。
研究表明，採用雙渦發生體的渦街流量測量及其獨特的旋渦檢測方式都是非常有效的。進而可以得出雙渦發生體結構產生的旋渦信號強烈、穩定、抗幹擾能力強的結論；這種檢測器比直接測量精度高，更接近於實際情況。
經調查，應產品具有相當廣泛的市場。油田急需大量的測水流量計，僅就大慶而言，有40個大的汙水站，60個大注水站，每個水站每年都需更新10－20臺流量計，且目前基本上都沒裝什麼測量儀器，數量相當可觀。
本實用新型性能可靠、瞬時流量顯示穩定，精度達到0.75％，重複性誤差為萬分之幾，旋渦信號強烈，抗幹擾能力強，特別適合於400m3／h以上的大流量測量，量程比在61以上，被測介質溫度範圍為－40～＋200℃，最大工作壓力1.6MPa。
圖1為第二個渦發生體2的形狀示意圖；圖2為流體流動狀態示意圖；圖3為傳感器原理結構圖；圖4為壓電元件電極配置及受力狀態圖。
圖中標號1－渦發生件1，2－渦發生體2，3－傳動軸。
權利要求1.一種用於測量油、氣、水質流量的測量儀器中的渦發生體，其特徵在於在管道中沿來流方向順序排列兩個渦發生體(1)和(2)，渦發生體(1)為方柱體，方柱體的尺寸比例為d/D=0.24～0.26 h/d=0.4～0.7，渦發生體(2)為左右對的懸軸式結構，其尺寸參數為H=1.2～1.8d， d＜d′＜H， h′=6-10mm， b=12-18mm。
2.權利要求1所述渦發生體產生的渦街流量測量傳感器，其特特徵在於該傳感器由傳動軸(3)，絕緣板(5)，(6)，(7)，(8)壓電片P1、P2、P3、P4，予緊板(12)，(13)組成，其中傳動軸(3)固定在渦發生體(2)上，壓電片P、P2、P3、P4夾在四塊絕緣板之間，通過螺釘經予緊板(12)，(13)對上述層狀結構施加予緊力將壓電片和絕緣板固定。
專利摘要雙渦體渦街流量變送器是由兩個渦發生體沿來流方向順序排列在管道內，第一個渦發生體採用方柱形，用來產生強烈的旋渦信號，第二個渦發生體採用左右對稱的懸軸式結構，與第一個渦發生體之間相互作用，達到增強、穩定旋渦的目的。通過檢測渦發生體2的擺動頻率來獲得旋渦釋放頻率。經正規標定和現場試用，其測量精度達到0.75％，更適於大流量的測量。
文檔編號G01F1/32GK2085952SQ90225760
公開日1991年10月2日 申請日期1990年12月5日 優先權日1990年12月5日
發明者龔振起, 王武義, 高蕾, 滕元章, 嶽濱 申請人:哈爾濱工業大學