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气体流量计的测量原理与结构

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气体流量计的测量原理与结构
点击次数: 发布时间:2016-05-14
1、气体流量计工作原理
涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中垂直插入一个称作旋涡发生体的对称形状的物体(如圆柱体、三角柱体),如图1所示。当流体沿旋涡发生体扰流时,会在旋涡发生体下游产生不对称、但有规律的交替旋涡列,这就是所谓的卡门涡街。
气体流量计工作原理图
由于旋涡之间的相互影响,其形成通常是不稳定的。冯·卡门对涡街的稳定条件进行了研究,于1911年得到结论:只有当两旋涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足h/L=0.281时,所产生的涡街才是稳定的。
漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列。设漩涡的发生频率为f,被测介质的平均速度为U,漩涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,则根据卡门涡街原理,圆柱体后漩涡发生的频率可用下式表达:
气体流量计公式一
式中:v---漩涡发生体两侧平均流速,m/s;
      St---斯特劳哈尔数
      m---漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比,其值为
气体流量计公式二
管道内体积流量Qv为
气体流量计公式三
气体流量计公式四可得Qv=Kf
式中:K---流量计的仪表系统;
      f---脉冲数。
     K除与漩涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。从实验可知,正常测量范围的雷诺数为2×10?~7×10?,流体速度v与漩涡脱落频率的关系是确定的。也就是说,对于圆柱形漩涡发生体,在这个范围内它的St是常数,并约等于0.2,与理论计算值吻合的很好。对于圆柱形式的漩涡发生体,其St值也是常数,但有它自己的数值。
从上式可知,流量Qv与漩涡脱落频率f在一定雷诺数范围内成线性关系。涡街流量计正是利用上述原理制成的,因此,也将这种流量计称为线性流量计。
 
2、气体流量计结构
气体流量计是利用流体通过阻碍物时产生稳定的漩涡,通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。由于各个生产厂家的产品结构的差异主要是在流量显示仪表方面,因而这里主要介绍涡街流量传感器。
在应用卡门原理推导频率与流速关系式时,使用了涡街的稳定条件:间隔比h/L=0.281,这说明漩涡产生的频率受到一定的漩涡空间构造影响,而漩涡的空间结构与漩涡发生体的形状有关。
另外,在前面的讨论中,我们还应该注意到:
1、在上述推导过程中,均是在一维流动的条件下的,然而在圆管中的流动,是具有轴对称分布的三维流动。
2、在上游有管道存在的条件下,会有附加的流速分布畸变、旋流、波动等不稳定因素。
上述两点都会对漩涡的稳定性与规律性产生重要的影响。所以,在涡街现象发现以后的很长时间内,一直未能用来进行测量流量,除了信号检测技术以外,上述两点也是重要的原因。为了克服上述因素带来的影响,必须对漩涡发生体形状有一定要求,使管内的漩涡发生体处的流动尽量接近二维流动,以控制三维流动中漩涡发生体发出的漩涡相位,使涡线弯曲变得极小。
由此可见,漩涡发生体形状对漩涡的发生有决定性的影响。
1、漩涡发生体形状的基本要求
漩涡发生体的形状有很多种,但它们必须具有一些相同的基本要求:
a、有钝的(即非流线型的)截面形状---这是产生漩涡的条件;
b、上、下截面形状相同,并且左右对称---流动接近二维流动的条件;
c、边界层分离点事固定的---斯特劳哈尔数St恒定。
同时,漩涡发生体在管道中的安装位置必须严格对称。漩涡发生体上游必须有直径为10D(D为管道内径)以上的直管,下游必须有直径为5D以上的直管。
2、漩涡发生体的基本结构
漩涡发生体形状有圆柱、三角柱、T型柱、四角柱等,以下主要介绍圆柱与三角柱这两种形式。
a、圆柱形漩涡发生体。前面关于漩涡理论部分的内容就是以圆柱为例进行讨论的。虽然这种形式使用较早,但严格地说,在高流速下它的斯特劳哈尔数St并不稳定。因此,人们就将其改进成开狭缝或开导压孔形式。
开导压孔的圆柱漩涡发生器如图6所示。由于有导压孔存在,在而当漩涡发出的同时产生的交替升力将使流体通过导压孔流动,产生一边吸入,一边吹出的效果。当流体附面层在圆柱表面开始分离时,在吸入一侧,分离被抑制;在吹出一侧,分离被促进发生。这样就可使流体分离点的位置固定下来,也就可以使斯特劳哈尔数St相对稳定。
气体流量计圆柱形漩涡发生体示意图
b、三角柱形漩涡发生体。目前采用较多的漩涡发生体是三角柱形的,其形状一般由实验确定。它不仅可以得到比圆柱更强烈的漩涡,而且它的边界层分离点是固定的,即其斯特劳哈尔数St相对恒定,大约为St=0.16。这样,涡频与流速的关系为f=0.16u/d,其中d为三角柱的底边宽度。三角柱漩涡发生体的形状如图7所示。
气体流量计三角柱形旋涡发生体示意图
c、检测频率的方法
圆柱体表面开有导压孔,与圆柱体内部空腔想通。空腔由隔板分成两部分,在隔板的中央部分有一小孔,在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝。
当漩涡在圆柱体下游侧产生时,由于升力的作用,使得圆柱体下方的压力比上方高一些,圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下,从圆柱体下方导压孔进入空腔,通过隔板中央部分的小孔,流过铂电阻丝,从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值,则当流体流过铂电阻丝时,就会带走热量,改变其温度,也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个漩涡时,则流体从上导压孔进入,由下导压孔流出,又一次通过铂电阻丝,并改变一次它的电阻值。由此可知:电阻值变化与流动变化相对应,也即与漩涡的频率相对应。所以,可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率,进而得到流量值。当然,检测频率的元件不仅是铂电阻丝,还包括其他元件,具体检测元件与方法如表8所示。
气体流量计检测频率对照表

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