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1引言 渦街流量傳感器是近30年迅速發(fā)展起來的流量儀表,與傳統(tǒng)的孔板流量計相比,有一系列獨特的優(yōu)點。在使用過程中,渦街傳感器準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、重復(fù)性好、壓力損失小,并且其輸出頻率信號和流速成線性關(guān)系,同一臺渦街傳感器用于測量不同介質(zhì),其儀表常數(shù)不變,所以,越來越受人們重視。渦街傳感器輸出頻率信號和被測介質(zhì)的流速成正比,也就是和流體的工況體積流量成正比,所以,主要用來測量體積流量。但實際需求大多是計量流體的質(zhì)量流量。當(dāng)前流行的方法是通過測出流體體積流量和其密度,然后,將二者相乘間接測量質(zhì)量流量。體積流量的測量可用渦街流量傳感器來實現(xiàn),而密度的測量比較復(fù)雜,流行的方法是通過壓力變送器及溫度傳感器(或溫度變送器)測量介質(zhì)壓力和溫度,經(jīng)二次儀表(或計算機)用軟件計算出介質(zhì)密度,進(jìn)而算出質(zhì)量流量。這種方法有一定的局限性,只有被測介質(zhì)的密度和溫度、壓力關(guān)系是已知的,如蒸汽可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)在不同的范圍內(nèi)擬合出蒸汽密度和溫度、壓力公式,或通過查表的方法來實現(xiàn)。但是,有時介質(zhì)的密度和溫度、壓力的關(guān)系是不確定的,如混合均勻的多相流,各種成分構(gòu)成比例隨時變化,就不能找到合適公式和表格。 筆者對渦街傳感器做了大量實驗,在此基礎(chǔ)上,提出用渦街作用力直接進(jìn)行密度計算的新方法。 2渦街作用力密度補償?shù)脑?/p> 2.1傳感器結(jié)構(gòu) 傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,渦街流量傳感器是采用“卡曼渦街”原理制成的,如圖1所示。在封閉的圓管內(nèi),垂直于流體的流向上放置旋渦發(fā)生體(通常為圓柱體、三角柱體或梯形柱體),當(dāng)流體的流速達(dá)到一定的數(shù)值時,會在旋渦發(fā)生體的下游兩側(cè)產(chǎn)生兩排交替出現(xiàn)的旋渦列。當(dāng)旋渦具有穩(wěn)定的陳列,且同列相鄰旋渦間距離L與兩列間距離H的比值H/L=0.281時,產(chǎn)生的旋渦是穩(wěn)定的。這種穩(wěn)定而有規(guī)則的旋渦列為“卡曼渦街”。 
2.2理論推導(dǎo) 由“卡曼渦街”原理可知,單列旋渦的頻率f和被測流體的流速v之間呈現(xiàn)如下關(guān)系: 
另外,根據(jù)流體力學(xué)原理,卡曼旋渦作用到傳感器探頭的力,和介質(zhì)的平均流速v,介質(zhì)密度ρ和受力面積A間關(guān)系式為: 
由于流體質(zhì)量流量Qm為體積流量Qv乘以密度: 
即質(zhì)量流量和壓電晶體信號的幅值成正比,和渦街的頻率成反比,λ定義為質(zhì)量流量的儀表系數(shù)是常數(shù)。
2.3實驗數(shù)據(jù)驗證 根據(jù)上述的原理選口徑為50mm的渦街樣機,傳感器探頭選用立片式結(jié)構(gòu),其信號大,可以將其等效為交流電壓源。在以羅茨鼓風(fēng)機為氣源的空氣流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行試驗,用數(shù)字示波器測量原始渦街壓電晶體信號的電壓幅值Vm,并將信號進(jìn)行頻譜分析測出渦街頻率f,如圖2所示,同時記錄氣體的壓力值P,實驗時氣溫為21℃。 
根據(jù)氣態(tài)方程可知,同一氣體兩狀態(tài)符合如下公式: 
標(biāo)準(zhǔn)狀況時:T0=293,P0=0.101325MPa,氣體體積為V0。 工況時:T1=237+t,P1=P+0.101325MPa,體積為V1。 代入上式,得到壓縮比,再乘以標(biāo)準(zhǔn)狀況時密度1.2041kg/m3,即得到工況氣體(壓力為P(表壓),溫度為t時)的密度。 
將記錄的實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果,制成表1。工況氣體的體積流量Lv和渦街頻率f是線性關(guān)系,由渦街公式算出。進(jìn)而將工況氣體的密度和工況體積流量相乘,得到理論質(zhì)量流量Lm。根據(jù)(7)式由渦街信號的幅值和渦街的頻率計算出質(zhì)量流量(其中λ為5080,由標(biāo)定設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)表測得流量,經(jīng)運算得到)Lmt,是由渦街信號幅值補償?shù)玫降馁|(zhì)量流量。將Lm和Lmt進(jìn)行比較計算出絕對誤差和相對誤差。 
從表1中可以看出,由渦街信號幅值進(jìn)行補償氣體密度得到的質(zhì)量流量和理論值基本一致,但有些點的誤差比較大,是什么原因造成的?為此我們對測試過程作如下分析:由渦街信號進(jìn)行頻譜分析測量到的渦街頻率是準(zhǔn)確的,誤差很小;而測量渦街信號的幅值時,由于脈動流的存在,幅值大小在變化,這時幅值的測量誤差就很大,如圖3所示,這是示波器顯示的壓電晶體信號,這時讀出的數(shù)據(jù)誤差就比較大。 從圖1中右邊的頻譜圖可以看到除了渦街信號的譜線外,還有高頻的干擾譜線,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是介質(zhì)高流速時波動的原因之一。 
3信號處理電路 壓電晶體將渦街信號轉(zhuǎn)換成電荷(也可以等效為電壓)信號,先經(jīng)過一級電荷放大電路將電荷信號變?yōu)殡妷盒盘?如圖4所示。電荷放大電路輸出分兩路,一路將信號定值放大,其輸出送到DSP的A/D輸入端,DSP對此信號進(jìn)行FFT變換;另一路進(jìn)行含自動增益控制的放大電路,將交變的渦街信號放大,再經(jīng)過濾波電路濾去高頻的干擾信號,最后得到渦街信號的方波信號,由CPU測出其頻率f。由渦街的頻率值將FFT變換的結(jié)果對應(yīng)的頻譜幅值算出,此值和渦街作用力線性關(guān)系,通過程序按照(4)式計算出流體的質(zhì)量流量,并進(jìn)行累加、輸出和顯示等。 
經(jīng)過信號處理后,重復(fù)做上述實驗,將數(shù)據(jù)處理后得到相對誤差E′(%),見表1的最后一列,可以看到E′比E要小。 4結(jié)論 理論推理和實驗數(shù)據(jù)都說明渦街信號中包含了流體的流速和流體的密度的信息,所以,可以通過測量渦街信號的方法進(jìn)行測量流體的質(zhì)量流量。但是,作者在實驗時也發(fā)現(xiàn)一些問題:首先是傳感器探頭有分散性,有的信號大,有的信號小。這是由于封裝傳感探頭都是手工加工,晶片的定位、絕緣材料的填充和用膠固定等操作時誤差比較大。為了減小傳感探頭的分散性,作者和廠家正在研究實現(xiàn)封裝探頭的工藝規(guī)范化、機械化,盡量減少人為誤差,并用先進(jìn)手段對產(chǎn)品測試,做到產(chǎn)品性能的一致性高。 壓電晶體長時間使用后,信號會有所衰減,所以,廠家為此專門上了一套老化設(shè)備,確保產(chǎn)品出廠都經(jīng)過老化處理,信號衰減在允許的范圍內(nèi)。另外,由于實驗條件的限制,壓力變化范圍較小。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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