專利名稱：差壓型渦街質(zhì)量流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造渦街質(zhì)量流量計的原理、工藝過程及據(jù)此原理和工藝所作出的產(chǎn)品-差壓型渦街質(zhì)量流量計。所謂渦街流量計是指利用卡曼渦街原理來測量流速或流量的計量儀表，它是利用至少一個插入于流體流場并垂直于流軸的旋渦發(fā)生體3，當(dāng)流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體3時，在發(fā)生體兩側(cè)下游處產(chǎn)生交替的旋渦，其頻率f正比于平均流速U。于發(fā)生體內(nèi)部安裝的傳感器可檢測到這一旋渦頻率，從而獲得平均流速U。平均流速U與管道流通截面A之積UA即流體的體積流量Q。
當(dāng)測量氣體或蒸汽流量時，比如測量空氣、天燃?xì)狻⒚簹?、飽和蒸汽、過熱蒸汽時，被測介質(zhì)的溫度、壓力以及成分的變化會給測量帶來不小的影響。在這些測量中人們更關(guān)心的是質(zhì)量流量而不是體積流量。假定被測介質(zhì)的密度為ρ，則質(zhì)量流量Qm即為Qm＝ρUA (1)為了解決質(zhì)量流量Qm的測量，迄今為止主要采用兩種辦法。其一是在測量體積流量的同時，測出流體的溫度T與壓力P(如

圖1所示)，利用氣態(tài)方程Qm=QvP=QcPO(P)/(PO) (To)/(T) (Zo)/(Z) (2)式中 Qv-工作狀態(tài)體積流量ρ-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度PO-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力TO-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度
P-工作狀態(tài)下壓力T-工作狀態(tài)下溫度Z-介質(zhì)的壓縮系數(shù)ZO-介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓縮系數(shù)用計算機(jī)自動轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，這一方法實質(zhì)上就是對氣體介質(zhì)的體積量進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。目前這一方法較易實現(xiàn)，被廣泛采用。不過此法不可能補(bǔ)償因氣體成分發(fā)生變化而引起的質(zhì)量誤差，即當(dāng)成分發(fā)生變化時，此法對如何準(zhǔn)確測定質(zhì)量流量是無濟(jì)于事的。再者，即使成分不發(fā)生變化，當(dāng)壓力較高時，按(2)式補(bǔ)償，因ZO與Z差別較大，還須考慮氣體壓縮系數(shù)的影響，致使系統(tǒng)的補(bǔ)償變得非常復(fù)雜而難以進(jìn)行。這種方法可稱為溫壓型方法。
第二種方法是用測量體積流量和測量密度相結(jié)合的方法(如圖2所示)，將體積流量與密度同時送入計算機(jī)算得質(zhì)量流量。這一辦法克服了溫壓型方法的缺點，可適應(yīng)成分變化，不必考慮氣體壓縮系數(shù)影響。遺憾的是氣體的密度測量遠(yuǎn)比溫度、壓力或體積流量的測量復(fù)雜得多，目前能采用的密度計測器件不僅昂貴，而且對被測介質(zhì)的清潔度有苛刻要求，目前還無法適用于較高溫度介質(zhì)，這就大大限制了這一方法的使用范圍，因此這一辦法在工業(yè)上還難于推廣應(yīng)用。這方法可稱為密度型方法。
US4372169提供一種(一類)質(zhì)量流量計，其解決方案的要點是在流段中作有產(chǎn)生阻力的發(fā)生體和節(jié)流部分;在發(fā)生體和節(jié)流部分之間取得一個壓力，與流段外的壓力產(chǎn)生一個差壓。對比文件US4372169指出這個差壓直接反映了流過流段的氣體的質(zhì)量流量，文件列出的許多方案中無不具有一環(huán)形通路的發(fā)生體，這一發(fā)生體與節(jié)流部分的連接保證產(chǎn)生高度穩(wěn)定的旋渦，這一旋渦提供了氣體質(zhì)量流量與差壓之間的一個予知的關(guān)系即M＝-A∑P4+B∑P3-C∑P2+D∑P+E (3)此處M為質(zhì)量流量，式中的P按對比文件上下文關(guān)系推定似應(yīng)為△P，僅當(dāng)差壓計一端可視為真空壓力時，△P才等價于P。對比文件強(qiáng)調(diào)A、B、C、D、E與部件尺寸有關(guān)，且A比D小五個量級，B比D小三個量級，C比D小一個量級，高次項可忽略，基本上是一個線性函數(shù)。即質(zhì)量流量表現(xiàn)為差壓的線性函數(shù)。
仔細(xì)分析這一對比文件，可發(fā)現(xiàn)兩個問題。其一，這一技術(shù)方案盡管有多種結(jié)構(gòu)形式，但都離不開具有環(huán)形通路的發(fā)生體和阻力較大的節(jié)流部分，當(dāng)流體全部流經(jīng)發(fā)生體及節(jié)流部分時，勢必造成較大的壓力損耗，工藝上也頗為復(fù)雜。其二，盡管提到了產(chǎn)生旋渦的發(fā)生體，其序言中提到過它的頻率正比于平均流速，但其后的處理中，不管結(jié)構(gòu)如何變化，都未提及如何處理和利用這一頻率，在其質(zhì)量流量計算(公式(3)，引自對比文件US4372169)中也絲毫不涉及這一頻率f?？梢詳喽?，對比文件所提及的種種技術(shù)方案僅僅著眼于如何利用發(fā)生體和節(jié)流部分之間的旋渦來產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的差壓，以此來按公式(3)求得質(zhì)量流量，而根本未用到發(fā)生體的頻率特性，事實上不屬于渦街流量計。因此，對比文件所述的流量計都不是渦街流量計，都不具備渦街流量計的特征和優(yōu)良品質(zhì)。
發(fā)明人在CN86101855中詳細(xì)介紹過渦街流量計的作用原理和計測公式，指出渦街流量計沒有運(yùn)動部件，輸出頻率對介質(zhì)溫度、壓力及粘度不敏感，不易受介質(zhì)干擾、精度高、量程寬、并具有穩(wěn)定、可靠等優(yōu)良品質(zhì)，提供了一種獲得更寬溫變范圍的渦街流量計及其制作工藝。但CN86101855所述的渦街流量計仍屬體積流量計量儀表。
本發(fā)明的目的旨在用改進(jìn)了的渦街流量計來實現(xiàn)質(zhì)量流量的計測。目的在于既保留渦街流量計的優(yōu)良品質(zhì)，又能獲得質(zhì)量流量。本發(fā)明的總方案是既利用旋渦發(fā)生體剝離(Shedding)的頻率信號，又利用發(fā)生體產(chǎn)生與密度和流速有關(guān)的差壓信號。其技術(shù)要點在于流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體3時(參見圖3)除產(chǎn)生交替旋渦外，還因受其阻力而產(chǎn)生正比于流體密度ρ和平均流速平方U2之積ρU2的壓力損失，即差壓△P。通過在旋渦發(fā)生體3上、下游作取壓孔(6、2)可取得這一差壓△P，縮合計算旋渦率f和差壓△P即可獲得流體的質(zhì)量流量Qm。
圖3給出了差壓型渦街質(zhì)量流量計的示意圖。其中1為表體管道，D為其流通直徑;3為旋渦發(fā)生體，插入于流場中，平均流速為U;4、5分別為密封墊圈和壓板;2為下游取壓孔，6為上游取壓孔;7為表體安裝法蘭，8為流管，9為發(fā)生體座，10為安裝螺釘。
作為渦街流量計有下列關(guān)系U＝ (md)/(St) f (4)式中U-流經(jīng)管道的平均流速;
m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)流通面積與被測流管截面積之比;
d-旋渦發(fā)生體的特征寬度;
St-斯特勞哈爾系數(shù);
f-旋渦頻率。
旋渦發(fā)生體作為阻力體，前后產(chǎn)生一差壓△P，此差壓由取壓孔(2、6)測得，差壓與平均流速U和密度之間存在關(guān)系△P＝ 1/2 CDρU2(5)式中CD為阻力系數(shù)。為綜合考慮關(guān)系(4)、(5)，將公式(5)稍作變換如下PU= (2△P)/(CDU) (6)再將(4)代入(6)之右邊的U中，即得PU= (2St)/(CDmd) (△P)/(f) (7)兩邊乘以管道截面A，即得公式(1)所述的質(zhì)量流量QmQm=PUA= (2StA)/(CDmd) (△P)/(f) = (πD2St)/(2CDmd) (△P)/(f) (8)式中D為管道流通直徑。
若設(shè)Km= (πD2St)/(2CDmd) (9)則可得Qm＝Km (△P)/(f) (10)Km可定義為差壓型渦街質(zhì)量流量計的質(zhì)量流量系數(shù)。
阻力系數(shù)CD是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，在儀表有效量程范圍內(nèi)，CD與Re有確定的關(guān)系，并且?guī)缀蹼SRe線性變化。發(fā)明人做了大量實驗，得到不同旋渦發(fā)生體和不同取壓孔位置的阻力系數(shù)CD。當(dāng)旋渦發(fā)生體的特征寬度d與管道的內(nèi)徑D之比d/D＝0.25～0.30時，園柱、六角柱、矩形柱、方形柱、三角柱、梯形柱等旋渦發(fā)生體的阻力系數(shù)CD約在0.6～2.5之間，如圖4所示。圖中可以看出CD幾乎是平行于Re軸的，即CD幾乎是常數(shù)。由此可見Km幾乎是常數(shù)。因此本發(fā)明所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計的技術(shù)特征可以進(jìn)一步歸納為一個線性關(guān)系式(10)，即質(zhì)量流量Qm是差壓△P除以旋渦頻率這一商( (△P)/(f) )的線性函數(shù)，正比于這一商，其比例系數(shù)即為質(zhì)量流量系數(shù)Km。
公式(9)表示了Km與CD之間的關(guān)系，因此Km是一個與旋渦發(fā)生體形狀、尺寸、取壓孔位置以及被測介質(zhì)雷諾數(shù)Re都有關(guān)的物理量，在一定雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)(等價于儀表量程范圍)是一個常數(shù)或隨雷諾數(shù)Re線性變化。
假如CD取常數(shù)，則Km由公式(9)算得也為常數(shù)，公式(10)中的f取自渦街流量傳感器，差壓△P由取壓孔(2、6)經(jīng)差壓變送器獲得，質(zhì)量流量Qm即可算出。精確計算時，CD可由實驗得，實驗中CD與U或f的關(guān)系為線性關(guān)系CD＝ai+biU (11)或CD＝αi+βif (12)式中系數(shù)ai、bi，αi、βi可用線性回歸法確定。將(11)或(12)代入(9)，即可按公式(10)計算質(zhì)量流量。此處bi、βi均很小，可視為一補(bǔ)償系數(shù)。實際制造過程中，如果注意到Km基本上是一常數(shù)，△P與U2成正比，而U又與f成正比，因此公式(10)中Qm基本上與f或U成正比，或近似一個線性函數(shù)。在標(biāo)定中完全可以直接確定Km的變化規(guī)律，通過線性回歸法確定得Km＝a+bU (13)或Km＝α+βf (14)此處a、b或α、β是由線性回歸法確定的線性系數(shù)，b和β很小可視為補(bǔ)償量。將(13)或(14)代入公式(10)即可獲得質(zhì)量流量Qm。
以上即本發(fā)明所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計的原理、計測方法及確定該儀表系數(shù)的工藝過程。在具體實施時，隨著不同的應(yīng)用場合可以有不同的實現(xiàn)方法。當(dāng)現(xiàn)場自身帶有計算機(jī)(譬如有一現(xiàn)場微機(jī)控制系統(tǒng))時，本儀表可以不帶微機(jī)處理器，差壓由取壓孔(2、6)經(jīng)或0-10mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號再輸入現(xiàn)場計算機(jī)，如圖5所示。在現(xiàn)場計算機(jī)中裝進(jìn)質(zhì)量流量系數(shù)Km或其線性系數(shù)a、b或α、β，按公式(10)編一簡單程序裝入現(xiàn)場計算機(jī)，即可由此計算機(jī)算出質(zhì)量流量。也可以將微處理器附在變送器中或附在這一流量計上，將Km有關(guān)的系數(shù)及公式(10)裝入該微機(jī)，使差壓信號△P及頻率信號f輸入該內(nèi)藏式微機(jī)并按公式(10)計算出質(zhì)量流量，構(gòu)成智能式差壓型渦街質(zhì)量流量計。
實驗證明取壓孔的位置十分重要，既要保證不影響卡曼渦街的穩(wěn)定形成，又要保證取得的差壓△P比較穩(wěn)定。設(shè)上游取壓孔6和下游取壓孔2的內(nèi)徑為d2，旋渦發(fā)生體3橫截的外接圓的直徑為d3，該外接圓的軸心為00′，上游取壓孔軸線至00′的距離為L1，下游取壓孔軸線至00′的距離為L2。一般說來上、下游取壓孔的軸線應(yīng)位于旋渦發(fā)生體軸向?qū)ΨQ平面的延伸平面內(nèi)，并且一般滿足L1≥ (d2+d3)/2 (15)L2≥ (d2+d3)/2 (16)大量實驗證明，L1的最佳值在1～1.5個D之間，L2的最佳值在1～2個D之間。D為流管直徑，取壓孔的內(nèi)徑約在1.5～3mm之間。
本發(fā)明同樣適用于具有二個或二個以上旋渦發(fā)生體的渦街質(zhì)量流量計。此時，上取壓孔可取在順流向第一個旋渦發(fā)生體之前，下取壓孔則可取在最后一個旋渦發(fā)生體之后，不管這些發(fā)生體是否具有相同的尺寸或形狀，此時取壓孔的最佳位置的范圍仍為1D≤L1≤1.5D (17)1D≤L2≤2D (18)雙發(fā)生體差壓型渦街質(zhì)量流量計的取壓孔位置示意圖如圖7所示。而旋渦頻率檢測敏感元件11既可放在旋渦發(fā)生體內(nèi)，也可放在兩旋渦發(fā)生體之間或下游某特定位置上。
雙發(fā)生體差壓型渦街質(zhì)量流量計的取壓孔位置示意圖如圖7所示。而旋渦頻率檢測敏感元件11既可放在旋渦發(fā)生體內(nèi)，也可放在兩旋渦發(fā)生體之間或下游某特定位置上。
圖8表示出旋渦發(fā)生體上、下游壓力分布情況。為了取得較大的差壓信號△P，除了選擇阻力系數(shù)CD大的旋渦發(fā)生體外，也可在取壓孔的位置上采取措施。從圖8可見，隨L1、L2的減小，差壓△P會隨之增大，在旋渦發(fā)生體表面處出達(dá)到最大值。由此啟發(fā)，不妨將取壓孔作在旋渦發(fā)生體內(nèi)部，開口于表面，此時L1+L2＝d3，可視為特殊取壓孔。圖9表示取得最大差壓△P的具體方案。圖中(9a)為單旋渦發(fā)生體的特殊取壓孔方案，(9b)為雙旋渦發(fā)生體的特殊取壓孔方案，圖中兩者都省去了旋渦發(fā)生體的內(nèi)部元件。圖中61、62為上游表面兩個相通的小孔并與上游取壓孔6相通，兩孔間距離為(0.4～0.6)D，與下游取壓孔2相通的小孔21開在下游表面的中心。
總上所述，本發(fā)明所述的原理和方法，以及由此構(gòu)成的產(chǎn)品差壓型渦街質(zhì)量流量計，克服了現(xiàn)有技術(shù)中溫壓型、密度型等質(zhì)量流量計的缺點和不足，既能準(zhǔn)確測定質(zhì)量流量，又保持了渦街流量計的特征和優(yōu)良品質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)進(jìn)步和特點在于1.可在較寬范圍內(nèi)測量氣體、液體及蒸汽的質(zhì)量流量。
2.測量結(jié)果僅與被測介質(zhì)的體積流量和密度(對飽和蒸汽還包括干度)有關(guān)，而不受介質(zhì)成分變化的影響。傳統(tǒng)的溫壓型質(zhì)量流量計卻不能反映成分變化，在天燃?xì)?、煤氣等成分變化大的介質(zhì)中傳統(tǒng)的溫壓型質(zhì)量流量計誤差較大。
3.測量結(jié)果不受被測介質(zhì)壓縮系數(shù)的影響，壓縮系數(shù)與溫度、壓力成非線性關(guān)系，這也是傳統(tǒng)溫壓型質(zhì)量流量計測不準(zhǔn)的原因之一。
4.保持了渦街流量計的所有特征和優(yōu)點，無可動部件，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡單造價低，安裝、維修方便。
5.與傳統(tǒng)溫壓型質(zhì)量流量計相比，節(jié)省一臺溫度變送器，便于構(gòu)成一體化儀表。
6.旋渦發(fā)生體構(gòu)形多樣靈活，可根據(jù)不同介質(zhì)和不同差壓范圍選用不同形狀的旋渦發(fā)生體，適應(yīng)性強(qiáng)。
本發(fā)明所述方法、原理顯然普遍適用于具有一個或多個旋渦發(fā)生體的渦街流量計的改進(jìn)，不論它們是采用何種傳感元件來計測旋渦頻率f，只要在合適位置作孔取得差壓△P，綜合△P及f獲得質(zhì)量流量，就屬于本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的技術(shù)范圍。任何一種渦街流量計按本發(fā)明揭示作取壓孔，均可作為本發(fā)明的實施例。
圖1為溫壓型質(zhì)量流量計示意圖;
圖2為密度型質(zhì)量計示意圖;
圖3為差壓型渦街質(zhì)量流量計示意圖;
圖4為不同柱形旋渦發(fā)生體的阻力系數(shù)示意圖，取壓孔位置相同，d/D＝0.25～0.30;
圖5為差壓型渦街質(zhì)量流量計的實施方案示意圖。
圖中H為頻率/電流轉(zhuǎn)換器。
圖6為頻率直送計算機(jī)的差壓型渦街質(zhì)量流量計示意圖，不經(jīng)過H-頻率/電流轉(zhuǎn)換器。
圖7為雙旋渦發(fā)生體結(jié)構(gòu)的差壓型渦街質(zhì)量流量計示意圖。
圖8為旋渦發(fā)生體上、下游壓力分布示意圖。
圖9為單、雙旋渦發(fā)生體的特殊取壓孔位置的示意圖。
權(quán)利要求
1.差壓型渦街質(zhì)量流量計，用于測量流體的質(zhì)量流量，尤其適用于測量溫度、壓力、成分變化較大的氣體或蒸汽的質(zhì)量流量，具有至少一個插入于流場并垂直于流軸的旋渦發(fā)生體3時，流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體3，在下游產(chǎn)生穩(wěn)定的交替旋渦，可計測到正比于平均流速U的旋渦頻率f，其特征在于流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體3時除產(chǎn)生交替旋渦外，還因受到阻力而產(chǎn)生正比于流體密度和平均流速平方U2之積U2的壓力損失即差壓△P，通過在旋渦發(fā)生體3上、下游作取壓孔(6、2)可取得這一差壓△P，綜合計算旋渦頻率f和差壓△P即可獲得流體的質(zhì)量流量Qm。
2.按權(quán)利要求1所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于質(zhì)量流量Qm是差壓△P除以旋渦頻率f這一商( (△P)/(f) )的線性函數(shù)，正比于這一商，Qm＝Km (△P)/(f) 。
3.按權(quán)利要求2所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于Km定義為質(zhì)量流量系數(shù)，是一個與旋渦發(fā)生體3的形狀、尺寸、取壓孔位置以及被測介質(zhì)雷諾數(shù)Re都有關(guān)的物理量，在一定雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)Km是一個常數(shù)或隨雷諾數(shù)Re線性變化，其線性系數(shù)可用線性回歸法標(biāo)定求得。
4.按權(quán)利要求1所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于取壓孔的軸線位于旋渦發(fā)生體3的軸向?qū)ΨQ平面或其延伸面內(nèi)。
5.按權(quán)利要求4所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于上游取壓孔6的軸心至旋渦發(fā)生體3橫截面外接園中心軸之距離大于或等于1個D，小于或等于1.5個D;下游取壓孔2的軸心至旋渦發(fā)生體3橫截面外接園中心軸之距離大于或等于1個D，小于或等于2個D。
6.按權(quán)利要求4所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于取壓孔位于旋渦發(fā)生體內(nèi)，開口于上游表面的取壓孔連通到上游取壓孔6，開口于下游表面的取壓孔連通到下游取壓孔2。
7.按權(quán)利要求1-6所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于有一差壓變送器將取自取壓孔(6、2)的差壓轉(zhuǎn)換為4～20mA或0～10mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，取自渦街流量傳感器3或旋渦頻率感測器11的信號f作為脈沖信號或經(jīng)頻率/電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4～20mA或0～10mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，這兩種信號可送入現(xiàn)場計算機(jī)算得質(zhì)量流量。
8.按權(quán)利要求1-6所述的差壓型渦街質(zhì)量流量計，其特征在于具有一內(nèi)藏式微處理器，可綜合計算△P與f獲得質(zhì)量流量Qm，構(gòu)成智能式差壓型渦街質(zhì)量流量計。
全文摘要
差壓型渦街質(zhì)量流量計，是傳統(tǒng)渦街流量計的重大改進(jìn)，能測天然氣、煤氣、蒸汽等溫度、壓力及成分變化大的介質(zhì)的質(zhì)量流量，保留渦街流量計的特征和全部優(yōu)點，量程寬、穩(wěn)定、加工簡單易維護(hù)，不受溫度、壓力和成分的影響。
文檔編號G01F1/88GK1054484SQ90105778
公開日1991年9月11日 申請日期1990年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月27日
發(fā)明者姜仲霞, 劉桂芳, 蔡孝國, 張川潮 申請人:機(jī)械電子工業(yè)部重慶工業(yè)自動化儀表研究所