[其他]低雷诺数下流量的涡街检测法及其变送器

说明书

本发明属流量测量技术领域。

涡街流量计是一种综合技术性能较好的流量计，它具有精度高（仅次于容积式流量计）、阻力小、量程宽，无运动部件，不受介质温度和压力的影响等性能，因而应用广泛，特别是在现代测量和控制中，越来越多地要求使用数字化仪器与计算机，很需要直接以数字量输出的传感器。涡街流量传感器正具备这样的特点。由于在低雷诺数（Re）条件下，管内流体流速分布不均匀使旋涡分离频率的输出线性变差;旋涡强度同流速的平方成正比，Re减小旋涡强度急剧减小，这使旋涡检测器的灵敏度显得不够;Re减小还使旋涡的产生变得不稳定。所以国内外的涡街流量计一般都要求工作在Re＞5000的条件下，至今尚无可供实用的测量低雷诺数条件下流量用的涡街流量计。

对于测量中小流量的涡街流量计，由于要分别配有流量积算器，增加了产品的单位成本，也限制了涡街流量计的应用。

1978年《计测自动制御学会论文集》，VOl    14，№2，发表了高本与小宫的论文-《低レイノルズ数领域にずはゐ涡流速计の特性の改善》，文中描述的一种装置是由两个圆柱串联安装，将下游检测柱检测到的旋涡信号放大后以气流形式反馈到上游的旋涡发生体，在这个旋涡发生体中开有窄缝，反馈气流由窄缝进出，从而使旋涡发生体沿长度方向上各点分离的旋涡同步。这种装置初步解决了一般涡街流量变送器在低雷诺数条件下使用时信号微弱，不稳和难以检测的问题，但此种结构的装置存在以下缺点：1.旋涡信号的相位不易精确测量;2.反馈气流的相位不易精确控制;3.测量控制电路和结构复杂;4.电路元件参数的变化会影响测量精度。因此至今尚无应用该法制成的能供实用的传感器问世。

本发明的目的在于提供低雷诺数条件下流量的涡街检测的新测量方法，以解决已有技术中存在的缺点，扩大涡街检测法的应用范围，将涡街流量计的量程扩展到中小流量领域，并使制成的涡街流量计实用而又成本低廉。

本发明是一种能在低雷诺数（Re＞400）条件下，用检测卡门涡街现象所产生的旋涡频率来测量流量的方法，或利用本检测方法的原理制成的低-高雷诺数涡街流量变送器系列，或利用本变送器制成量程扩展到中小流量的涡街流量计。现将发明内容分述于后：

一、低雷诺数条件下流量的涡街检测法

本发明的低雷诺数下流量的涡街检测法中，为解决低雷诺数条件下存在的旋涡信号微弱、不稳定，难以检测等问题，率先在流量管中应用了整流器，使到达旋涡发生体的流体流线平直，不被扰动，流速分布均匀，从而大大改善了信号质量，包括幅度增大，稳定性提高和低频干扰减小等。

为解决低雷诺数条件下，频率-流量特性的线性化问题，本发明应用了整流器和能与定时减数电路（见下述）具有最佳配合性能的倒梯形（即梯形长底边朝向来流方向）断面形状的柱状旋涡发生体，如此使流体流速分布均匀化，旋涡分离点固定，还减轻了旋涡信号的低频摆动，如图一、二、三所示。图一是Re＝600时，由两圆柱体串联安装的旋涡发生体发出的信号波形，由图中可见信号不稳，在雷诺数增大时低频摆动明显，输出线性也不好。图二是Re＝600时，由倒梯形旋涡发生体发出的信号波形，由于无整流网，受到梯形柱所产生的强烈旋涡的影响，使柱前的来流受到扰动，流体在旋涡发生体各处的流速差别变大，旋涡信号的相位或提前或滞后或抵消，使信号变得微弱而又不规则。图三是Re＝460时，由筛网与倒梯形旋涡发生体组成的系统所发出的信号波形。本发明采取了最后一种系统，再配以定时减数电路，实现了频率-流量特性线性化。在量程比1∶10的范围内（Re＞800）非线性误差不大于±1%，若允许非线性误差不大于1.5%时，量程比可达1∶30（Re＞500）。

当流量积算和显示采用微处理机时（其投资低于小规模集成电路构成的计数电路），可充分利用微处理机的多种功能实现数字线性化。进一步提高测量精度和扩大量程比。本发明中采用通用的传感器数字线性化算法-“三点校正法”，以频率为自变量，流量与频率的比值为因变量来表征频率-流量的关系。这样在低雷诺数或高雷诺数条件下都可得到较好的近似程度。