CN117848426A - 高精度抗振动宽温涡街流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涡街流量计技术领域，具体地说，涉及高精度抗振动宽温涡街流量计。其包括管道连接法兰盘；管道连接法兰盘表面设有连接移动调整组件，连接移动调整组件表面设有流体检测处理组件，连接移动调整组件和流体检测处理组件采用双通道处理的方式，以及引入了频率不确定度作为涡街有用信号处理的判断依据，然后在此基础上利用管道内三角柱时所产生的旋涡频率，并测量振动方向来源和幅值，区分和判别干扰信号，从而在多种干扰环境中能够识别出流量信号的频率；本装置具有防振、宽量程、宽温、高精度等诸多良好的特性，并且因其采用基于涡街测量的原理，结构中没有可动机械零件，实现极强的工作稳定性，可用于工业管道介质流体的流量测量。
Description
技术领域
本发明涉及涡街流量计技术领域，具体地说，涉及高精度抗振动宽温涡街流量计。
背景技术
目前，涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感，如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化、产生的随机脉动压力等，现场的干扰对流量测量产生很大的影响。
针对涡街流量计来说，现有技术就有很多，例如：
中国专利公开号CN108731750A公开了一种涡街流量计，包括管道,所述管道内部设有传感器，所述传感器通过螺钉固定安装于所述管道外壁的传感器壳体，所述传感器壳体通过竖直的连接杆与显示器相连接，所述的传感器壳体与所述连接杆之间，还设置有用于加固所述传感器壳体与所述连接杆之间连接、减少震动的支撑杆组，所述管道内部设有可以更换不同尺寸的涡街发生器，所述涡街发生器与所述管道由活动卡接端子固定，所述涡街发生器上有拉环，所述管道的两端设置有与其他管道连接的法兰件。该涡街流量计采用了可更换的涡街发生器，增强了对测量脏污介质的适应性，降低了维护难度，提升了测量的准确性。
由此可知，将涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题，一是抑制流场噪声的影响。流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响，附加的旋涡干扰了涡街信号，降低了信噪比；
二是准确测量小流量，因为小流量所产生的横向升力较小，初始信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小流量不能测量，例如涡街流量计的理论量程比为1：100，而目前模拟涡街流量计的量程比最大为1：10，在测量小流量时，涡街有用信号非常微弱，易被噪声信号淹没，给低流速下的测量造成了很大困难。
鉴于此，本发明提供了高精度抗振动宽温涡街流量计。
发明内容
本发明的目的在于提供高精度抗振动宽温涡街流量计，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明目的在于，提供了高精度抗振动宽温涡街流量计，包括管道连接法兰盘；
所述管道连接法兰盘表面设有连接移动调整组件，所述连接移动调整组件表面设有流体检测处理组件，所述连接移动调整组件和流体检测处理组件采用双通道处理的方式，以及引入了频率不确定度作为涡街有用信号处理的判断依据，然后在此基础上利用管道内三角柱时所产生的旋涡频率，并测量振动方向来源和幅值，区分和判别干扰信号，从而在多种干扰环境中能够识别出流量信号的频率；
同时连接移动调整组件和流体检测处理组件在介质流体检测过程中内部零部件均为固定装配，从而将限制振动力带动零部件移动。
作为本技术方案的进一步改进，所述连接移动调整组件包括测试管道，所述测试管道安装在管道连接法兰盘表面，所述测试管道顶部焊接有连接架。
作为本技术方案的进一步改进，所述连接架顶部设有保护管，所述保护管顶部设有固定架，所述测试管道表面固定连接有第一保护套。
作为本技术方案的进一步改进，所述第一保护套的另一段固定连接有固定管，所述固定管顶部设有第二保护套，所述固定管表面安装有固定卡扣。
作为本技术方案的进一步改进，所述第二保护套和固定管通过固定卡扣固定连接，所述第二保护套的另一端连接流体检测处理组件，两个所述固定架贴合通过螺栓进行固定。
作为本技术方案的进一步改进，所述流体检测处理组件包括测量补偿模组，所述测量补偿模组安装在固定架内部，通过固定架相互贴合从而将测量补偿模组封闭在固定架内部，限制测量补偿模组的移动。
作为本技术方案的进一步改进，所述固定架内部设有核心处理模组，所述核心处理模组表面连接有显示模组，所述测量补偿模组、核心处理模组以及显示模组数据相连通，从而完成数据的分析和计算。
作为本技术方案的进一步改进，所述测试管道内部设有挡流柱，所述测试管道内部设有温度传感器，所述测试管道内部设有压电传感器，所述压电传感器采用压电式涡街传感头。
作为本技术方案的进一步改进，所述测量补偿模组包括低温压电晶体、自动选频电荷放大器、数字输出MEMS加速度计，所述核心处理模组包括电荷放大器、低通滤波器、限幅器、施密特触发器MSP4流体检测处理组件单片机、运算放大器以及应用膜片和压电晶体元件。
作为本技术方案的进一步改进，所述显示模组包括显示屏，表头，所述核心处理模组还包括核心处理芯片，通过核心处理模组和测量补偿模组接收数据并进行分析然后输出至显示模组,显示模组通过显示屏进行显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该高精度抗振动宽温涡街流量计中，本装置具有防振、宽量程、宽温、高精度等诸多良好的特性，并且因其采用基于涡街测量的原理，结构中没有可动机械零件，实现极强的工作稳定性，可用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质，用途十分广泛。
2、该高精度抗振动宽温涡街流量计中，本装置采用低温压电晶体检测流体，利用管道内三角柱时所产生的旋涡频率，提高测量的精度高，减少阻力损失，提高工作温度范围。
3、该高精度抗振动宽温涡街流量计中，本装置采用智能自动增益技术，自动选频电荷放大器，做到100:1的宽量程比。
4、该高精度抗振动宽温涡街流量计中，本装置在电路中加入微功耗、3轴、±2g/±4g/±8g数字输出MEMS加速度计，测量振动方向来源和幅值，便于区分和判别干扰信号，解决涡街的抗震性的问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的固定架结构示意图；
图3为本发明的显示模组结构示意图；
图4为本发明的卡门涡街示意图；
图5为本发明的液体数据分析示意图。
图中各个标号意义为：
11、管道连接法兰盘；
20、连接移动调整组件；21、测试管道；22、连接架；23、保护管；24、固定架；25、第一保护套；26、固定管；27、第二保护套；28、固定卡扣；
30、流体检测处理组件；31、测量补偿模组；32、核心处理模组；33、显示模组。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获的的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-图5所示，本实施例目的在于，提供了高精度抗振动宽温涡街流量计，包括管道连接法兰盘11；
管道连接法兰盘11表面设有连接移动调整组件20，连接移动调整组件20表面设有流体检测处理组件30，连接移动调整组件20和流体检测处理组件30采用双通道处理的方式，以及引入了频率不确定度作为涡街有用信号处理的判断依据，然后在此基础上利用管道内三角柱时所产生的旋涡频率，并测量振动方向来源和幅值，区分和判别干扰信号，从而在多种干扰环境中能够识别出流量信号的频率；
同时连接移动调整组件20和流体检测处理组件30在介质流体检测过程中内部零部件均为固定装配，从而将限制振动力带动零部件移动。
由于在工业现场电力线及电力设备密集，大量的电磁干扰就会影响到涡街流量计信号处理电路，这种干扰主要分为三类：高频电磁辐射干扰、交直流电源干扰和低频电磁干扰。其中高频电磁辐射干扰主要是通过空间电磁场作用到信号处理电路的；交直流电源干扰来自于电源间的相互影响；低频电磁干扰是对涡街流量计的最主要的电磁干扰，低频电磁干扰的来源非常复杂，它与涡街安装位置、安装方式、接地方式、接地位置、屏蔽情况及放大器的特性等有关，如：金属屏蔽罩屏蔽空间电磁辐射的能力是有限的，不能抵御频率50Hz以下的电磁场；压电敏感元件的接地点表壳与处理电路的接地点如果存在跨步电流，就会在地线两端产生50Hz的跨步电压干扰；当电源干扰存在，而处理电路的共模抑制比较低时，就会在电路中引入50Hz的电源共模干扰。这种低频干扰在涡街频带之内，所以消除低频电磁干扰是涡街现场应用的一个重要问题；
工业现场管道内的干扰对旋涡发生体附近的流场分布有很大的影响。由于管道上下游存在着各种阻力件如阀门、弯头、T形管、扩张管和收缩管等，这些器件对管道的影响有两个方面：①影响管道内的压力分布，导致管道的压力分布不均匀，从而导致管道内流速分布不均匀；②会产生流体扰动和杂乱的旋涡流。这种干扰会使涡街信号的信噪比降低，并且破坏管道内流场的均匀性和对称性；
管道一般与风机、水泵或压缩机等装置相连接，风机、水泵和压缩机产生的振动、人为撞击管道以及局部阻力件产生的随机噪声有时十分强烈，会叠加到涡街信号中，对于有用信号的提取带来了很大的困难；
理想的涡街信号经电荷放大器和低通滤波器后应该是一个规则的正弦波信号，但是，在工况下低流速的涡街信号则基本被噪声淹没，因此，连接移动调整组件20包括测试管道21，测试管道21安装在管道连接法兰盘11表面，测试管道21顶部焊接有连接架22,连接架22顶部设有保护管23，保护管23顶部设有固定架24，测试管道21表面固定连接有第一保护套25，第一保护套25的另一段固定连接有固定管26，固定管26顶部设有第二保护套27，固定管26表面安装有固定卡扣28；
第二保护套27和固定管26通过固定卡扣28固定连接，第二保护套27的另一端连接流体检测处理组件30，两个固定架24贴合通过螺栓进行固定，流体检测处理组件30包括测量补偿模组31，测量补偿模组31安装在固定架24内部，通过固定架24相互贴合从而将测量补偿模组31封闭在固定架24内部，限制测量补偿模组31的移动，固定架24内部设有核心处理模组32，核心处理模组32表面连接有显示模组33，测量补偿模组31、核心处理模组32以及显示模组33数据相连通，从而完成数据的分析和计算；
测试管道21内部设有挡流柱，测试管道21内部设有温度传感器，测试管道21内部设有压电传感器，压电传感器采用压电式涡街传感头，测量补偿模组31包括低温压电晶体、自动选频电荷放大器、数字输出MEMS加速度计，核心处理模组32包括电荷放大器、低通滤波器、限幅器、施密特触发器MSP4流体检测处理组件30单片机、运算放大器以及应用膜片和压电晶体元件，显示模组33包括显示屏，表头，核心处理模组32还包括核心处理芯片，通过核心处理模组32和测量补偿模组31接收数据并进行分析然后输出至显示模组33,显示模组33通过显示屏进行显示；
由图1-图5所示，首先从涡街流量计的工作原理入手，分析涡街流量信号的组成，然后进行脉冲输出型数字涡街流量计的总体设计，采用双通道处理的方式，以及引入了频率不确定度的概念作为涡街有用信号处理方法的判断依据。然后在此基础上采用抗振动技术和宽温技术进行改进和优化，最后实现高精度、抗振动和宽温性能。
涡街流量计的工作原理：涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中的著名的“卡门涡街”原理，如图4，在流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线型阻流体(如三角柱，圆柱等)，称之为旋涡发生体，随着流体沿旋涡发生体流动的速度逐渐加快，雷诺数Re逐渐增大，当达到40左右时，由于旋涡发生体后半部分附面层中的流体团受到更大的阻滞，就会在旋涡发生体下游产生两列旋转方向相反、平行参差排列的涡列，这就是所谓的“卡门涡街”；
其中雷诺数Re的定义为：
其中，Y为工作状态下流体的运动粘度,m2/s；
V为被测介质来流的平均流速，m/s；
d为旋涡发生体的特征尺寸，m；
由于旋涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的，卡门对涡列的稳定性条件进行了研究，只有形成相互交替的内旋的两排旋涡，且当两旋涡列之间的距离h和同列的两旋涡之间距离l之比满足时，所产生的涡街才是稳定的h/l≈0.281。
涡街的测量：大量实验证明：在二维流动状态下(来流单相、定常；阻流体具有规则截面，且可视为无限长)，当满足涡街稳定的条件时，涡街的单侧旋涡脱落频率(简称涡街频率)F与阻流体两侧的平均流速v1之间具有以下关系：
其中，d为阻流体迎流面的最大宽度，m；
St为斯特罗哈数。
根据流体流动的连续性理论易知：
其中，V为被测介质来流的平均流速，m/s；
m为旋涡发生体两侧流通面积与管道截面积之比。
被测介质的体积流量为：
其中，D为管道直径，m；
K为涡街流量计的仪表系数，频率值/m3。
由可看出，对于给定的涡街流量传感器，其管道直径D、旋涡发生体特征尺寸d、m及斯特罗哈数St是可知的，因此此仪表系数K也是确定的，只要准确测得旋涡的分离频率f，就可以得知被测流体的速度V，从而到达测量管道内流量的目的；
同时，和/>成立的前提条件是要保证流体的雷诺数在使斯特罗哈数恒定的范围内，由粘性流体力学对涡街现象的研究可知，对于典型的圆柱型的发生体，雷诺数在3×102～2×105的范围内斯特罗哈数恒定，其他类型发生体(如梯形柱)大约也在这个量级。显然，涡街流量计实际测量的量程下限远远高于理论值。
涡街流量计设计方案；从涡街传感器引出的电荷信号经电荷放大器和滤波器的简单处理后，形成了幅值在几伏左右的电压信号，这个电压信号是杂乱的、不规则的，其中包括体现涡街频率的信号成分即有用信号，也包括各种噪声或者叫干扰信号。其中噪声可分为三部分：电磁干扰、流场干扰和管道振动干扰。那么涡街信号可以表示为：
Yy(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)；
其中，s(t)体现涡街频率的信号，称为有用信号；
n1(t)为电磁干扰信号；
n2(t)为流场干扰信号；
n3(t)为管道振动干扰信号；
通过采用普通模拟涡街流量计的前置放大电路，包括电荷放大器、低通滤波器、限幅器和施密特触发器；而对涡街信号的处理则采用了MSP430单片机,利用其I/O端口的外部中断功能，对前置放大电路输出的方波信号进行计频，然后再由单片机的另一I/O端口脉冲输出；
由图5所示，电路对涡街信号进行预处理，通过以运算电荷放大器为主体的模拟电路，对涡街压电传感头输出的含有各种噪声的微弱电荷信号(幅值在几mV左右)使用电荷放大器、低通滤波器、限幅器以及、施密特触发进行电荷放大、低通滤波、限幅、施密特触发整形四方面的处理，从而将压电陶瓷产生的与旋涡分离频率相同的正弦电荷信号，变换为与流量成正比的脉冲信号，然后将此脉冲信号输入到MSP430F149单片机的一个具有外部中断功能的I/O口，作为其外部中断源进行脉冲沿计频，再通过单片机信号处理，最后由另一I/O端口脉冲输出，同时通过键盘控制单片机的液体数据分析工作状态控制，并且单片机将数据通过液晶显示屏将分析液体数据展示给用户；
本装置从抗干扰和降低功耗两个角度考虑，设计脉冲输出型数字涡街流量计的硬件电路，整体结构采用了以MSP430F149单片机为核心的硬件结构，集合了MSP430单片机强大的控制功能(12位A/D，现场显示，参数设置，脉冲输出等)及它的超低功耗特性于一体。
仪表的整体结构可分为对压电传感器输出的涡街信号的前置放大电路，单片机采集、控制与脉冲输出电路，和电源电压转换电路总共四大部分；实现了双通道信号采集，数据传输，数据处理，现场LCD显示，脉冲输出，累计存储，按键设置的人机界面等功能；
通过选用压电式涡街传感头，即检测涡街频率信号应用应力式检测方式。把应用膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发生体后，当旋涡在旋涡发生体附近产生后，就会作用在检测元件上面产生一个交替的升力，该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同，这个升力加上管道噪声和流体振动噪声同时作用在检测元件上，使其产生应力变化，应力差作用于膜片上，使检测元件内的压电晶体元件的诱导电荷发生变化，将电荷变化量引出，它是微弱的含有各种噪声的电荷信号(幅值在几mV左右)，此即压电传感头的输出信号，亦是涡街前置放大电路的输入信号。
前置放大电路的任务是将检测元件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉冲信号，数字涡街对脉冲信号直接用单片机计频。
前置放大电路主要由电荷放大器，低通滤波器，限幅器和施密特触发整形器四部分构成，而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路来实现。
同时根据涡街流量计的工作原理,在一定雷诺数范围内,其输出的频率信号不受比如流体组分、密度、压力、温度的影响，即仪表系数只与漩涡发生体及管道的几何尺寸有关，超低温下涡街流量计的难点在于信号检测器灵敏度低，信噪弱；
本装置通过对压电材料低温特性、检测器结构优化、弱信号提取等技术的研究，研制用于超低温流体测量的高精度涡街流量计,为低温流量测量提供高性能、高可靠性、而又价格便宜的新型测量手段。
涡街流量计流量信号检测流程是：流量→漩涡频率→检测杆交变升力→压电陶瓷应力→交变电荷→电荷放大器→滤波整形→TTL方波→测频→显示输出流量。
压电陶瓷作为涡街流量计的关键敏感元件，其低温特性直接影响到流量计的性能，随着温度的降低，压电材料的性能特性会发生一定的变化，并且由于制造方法和化学成分的不同，不同材料性能随温度的改变也是不同的，因此，优先采用PZT-4、PZT-5和PZT-8。
另外，组成部分的低温信号检测器在使用时，一方面考虑其对低温介质的引入热量，不能引起低温介质的显著气化，从而影响漩涡的稳定性和低温推进剂的品质，造成无法测量或无法试验；另一方面尽量使压电陶瓷处的温度不要太低，从而降低对压电陶瓷性能的要求和提高压电陶瓷的使用寿命；
因此，本装置通过绝热套筒减少热量引入，通过加长杆使压电陶瓷处温度达到较为理想，通过传热计算进行参数优化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：包括管道连接法兰盘(11)；
所述管道连接法兰盘(11)表面设有连接移动调整组件(20)，所述连接移动调整组件(20)表面设有流体检测处理组件(30)，所述连接移动调整组件(20)和流体检测处理组件(30)采用双通道处理的方式，以及引入了频率不确定度作为涡街有用信号处理的判断依据，然后在此基础上利用管道内三角柱时所产生的旋涡频率，并测量振动方向来源和幅值，区分和判别干扰信号，从而在多种干扰环境中能够识别出流量信号的频率；
同时连接移动调整组件(20)和流体检测处理组件(30)在介质流体检测过程中内部零部件均为固定装配，从而将限制振动力带动零部件移动。
2.根据权利要求1所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述连接移动调整组件(20)包括测试管道(21)，所述测试管道(21)安装在管道连接法兰盘(11)表面，所述测试管道(21)顶部焊接有连接架(22)。
3.根据权利要求2所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述连接架(22)顶部设有保护管(23)，所述保护管(23)顶部设有固定架(24)，所述测试管道(21)表面固定连接有第一保护套(25)。
4.根据权利要求3所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述第一保护套(25)的另一段固定连接有固定管(26)，所述固定管(26)顶部设有第二保护套(27)，所述固定管(26)表面安装有固定卡扣(28)。
5.根据权利要求4所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述第二保护套(27)和固定管(26)通过固定卡扣(28)固定连接，所述第二保护套(27)的另一端连接流体检测处理组件(30)，两个所述固定架(24)贴合通过螺栓进行固定。
6.根据权利要求3所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述流体检测处理组件(30)包括测量补偿模组(31)，所述测量补偿模组(31)安装在固定架(24)内部，通过固定架(24)相互贴合从而将测量补偿模组(31)封闭在固定架(24)内部，限制测量补偿模组(31)的移动。
7.根据权利要求6所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述固定架(24)内部设有核心处理模组(32)，所述核心处理模组(32)表面连接有显示模组(33)，所述测量补偿模组(31)、核心处理模组(32)以及显示模组(33)数据相连通，从而完成数据的分析和计算。
8.根据权利要求2所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述测试管道(21)内部设有挡流柱，所述测试管道(21)内部设有温度传感器，所述测试管道(21)内部设有压电传感器，所述压电传感器采用压电式涡街传感头。
9.根据权利要求7所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述测量补偿模组(31)包括低温压电晶体、自动选频电荷放大器、数字输出MEMS加速度计，所述核心处理模组(32)包括电荷放大器、低通滤波器、限幅器、施密特触发器MSP4流体检测处理组件(30)单片机、运算放大器以及应用膜片和压电晶体元件。
10.根据权利要求7所述的高精度抗振动宽温涡街流量计，其特征在于：所述显示模组(33)包括显示屏和表头，所述核心处理模组(32)还包括核心处理芯片，通过核心处理模组(32)和测量补偿模组(31)接收数据并进行分析然后输出至显示模组(33),显示模组(33)通过显示屏进行显示。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118111540A (zh) * | 2024-04-30 | 2024-05-31 | 上海宝宬冶金科技有限公司 | 一种高炉检漏用ai智能流量计 |
| CN118641123A (zh) * | 2024-07-29 | 2024-09-13 | 苏州优湖流体科技有限公司 | 废气处理氧化炉低负载高频率切换阀泄漏率智能检测系统 |
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2024
- 2024-01-10 CN CN202410033459.5A patent/CN117848426A/zh active Pending
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