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測量封閉管道氣體流量計的研究
發布時間:2019-09-19

摘要:文章采用壓電晶體傳感器利用卡門渦街原理,設計了一種氣體流量計的結構,分別對氣體流量測量儀結構的各個部分進行了分析。并對壓電晶體產生的電荷信號進行處理,分析和設計各個環節的電路。該流量計所用檢測壓電元件不接觸氣體,適于惡劣環境、不易結垢,耐高溫、高壓、安全防爆,適用于測量封閉管道的氣體累計流量和瞬時流量。
1氣體流量的測量方法
國內儀表市場氣體流量計常見的主要是以下幾類:
(1)差壓式流量計
  差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續性方程為依據,根據節流原理,當流體流經節流件時(如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經典文丘利嘴、文丘利噴嘴等),在其前后產生壓差,此差壓值與該流量的平方成正比。只要能把節流機構前后的壓差p1-p2取出來,就可以測出流量。
(2)渦輪流量計
  渦輪流量計是比較精確的一種流量檢測裝置。當流體流經渦輪流量傳感器時,在流體推力作用下渦輪受力旋轉,其轉速與管道平均流速成正比,渦輪流量計的理論流量方程為

  式中,nT為渦輪轉速;qv為體積流量;A為流體物性(密度、粘度等),渦輪結構參數(渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等)有關的參數;B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關的系數;C為與摩擦力矩有關的系數。
(3)渦街流量計
  渦街流量計主要用于工業管道介質流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件,因此可靠性高,維護量小,儀表參數能長期穩定。渦街流量計流量方程可用下式表示

  式中,f為旋渦的釋放頻率;v為流過旋渦發生體的流體平均速度;d為旋渦發生體特征寬度;St為斯特羅哈數,無量綱,它的數值范圍為0.14-0.27。
(4)超聲波流量計
  超聲波流量計由超聲波換能器、信號處理電路、單片機控制系統3部分組成。在有氣體流動的管道中,超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時快。流過管道的氣體速度越快,超聲順流和逆流傳播的時間差越大。分為時差式(測量順流和逆流傳播的時間差)、相差式(測量順流和逆流傳播的相位差)、頻差式(測量順流和逆流傳播的循環頻率差)、多普勒超聲波流量計(以物理學中的多普勒效應為工作原理,適合于對兩相流的測量)。
(5)容積式流量計
  容積式流量計又稱排量流量計(positivedisplace-mentflowmeter),簡稱PD流量計或PDF,在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分,根據計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流量體積總量。容積式流量計的理論流量計算公式

  式中,q為工況下的體積流量,m3/s;n為旋轉體的流速,周/s;V為旋轉體每轉一周所排流體的體積,m3/周。
  文中采用渦街流量計測量高溫氣體的流量,下面通過分析氣體流量傳感器測量氣體的原理,設計其結構部分,采用雙壓電晶體作為傳感技術,測量其頻率信號。
2渦街流量計工作原理與結構設計
2.1工作原理
  渦街流量計是利用流體力學中卡門渦街原理制作的一種儀表,如圖1所示。
渦街流量計工作原理圖
  把一個非線性對稱形狀的物體(如圓柱體、三角柱體、矩形柱體、六面柱體等,以下簡稱漩渦發生體)垂直插在管道中,流體繞過漩渦發生體時,出現了附面層分離,在漩渦發生體左右兩側的后方會產生漩渦,形成渦列。
  由于漩渦之間相互影響,漩渦列一般是不穩定的,但卡門從理論上證明了當兩漩渦列之間的距離h與同列的2個漩渦之間的距離L滿足公式h/L=0.281時,非對稱的漩渦列就能保持穩定。此時漩渦的頻率f與流體的流速及漩渦發生體的寬度d有下述關系

式中
v1———柱體兩側處的流速(m/s);
d———柱體迎流面最大寬度(m);
Sr———無量綱數,在柱體形狀確定后,在一定的雷諾數范圍內為常數,稱為斯特勞哈爾(Strouhal)數。
根據流動的連續性,可知

式中
S1———柱體兩側流通面積(m2);
S———管道整個流通面積(m2);
v———管道內流體的平均流速(m/s)。
設流通面積比為n(當d/D<0.35時,可認為n=1-1.25d/D),則

2.2結構設計
  氣體流量計由傳感器和轉換器2部分組成,如圖2所示。
氣體流量計結構圖示
  圖中傳感器包括旋渦發生體(阻流體)、檢測元件、儀表表體等;轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。旋渦發生體是檢測器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關,應選用優良的材料,并使之具有良好的機械性能和抗腐蝕性能。
  本文設計的氣體流量計采用壓電元件作為檢測元件。采用第一種檢測方式。檢測元件密封安裝在發生體內部,不接觸被測氣體。
3壓電晶體測量原理
3.1壓電傳感器的結構形式
  在壓電傳感器中,常采用2片或2片以上的壓電材料組合一起使用的2種不同結構形式。一是2片壓電片負極都集中于中間電極上,而正極分別在上下2面電極上的并聯連接形式。此時,輸出電容Ca'=nCa(n為并聯壓電材料片數,Ca為單片電容);輸出電壓Ua'=nUa(Ua為單片的電壓);輸出電荷Q'=nQ(Q為單片電荷);二是各單片壓電元件正負極性順序相連接的串聯連接方式。此時,輸出電荷Q'=Q(Q為單片電荷);輸出電壓U'a=nUa(Ua為各片的電壓);輸出電容C'=Ca/n(Ca為單片電容)。顯然,并聯接法的輸出電荷量大,本身的電容也大。因此,其時間常數大(τ=CaR),適宜于測量緩慢變化的信號,并且還適用于以電荷為輸出量的場合。
3.2壓電傳感器的測量電路
  由于壓電傳感器的內阻抗很高、輸出電信號很弱,一般需將電信號經高輸入阻抗的前置放大器放大再進行傳輸、處理和測量。前置放大器的主要作用是將壓電信號經過前置放大器的阻抗變換成低阻抗輸出,也起到放大弱信號的作用。壓電傳感器的輸出信號經過前置放大器的阻抗變換和放大后,就可以采用一般的放大、檢波指示或通過功率放大至紀錄和數據處理設備。
  按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路,傳感器可堪稱電壓發生器,也可以看作是電荷發生器。因此前置放大器也有2種形式:一種是電壓放大器,一般稱作阻抗變換器,其輸出電壓與輸入電壓成比例;另一種是電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成比例。
4結語
  本文在分析當前國內外幾種流量計應用的基礎上,采取渦街流量計測量流量的原理測量高溫氣體的流量。針對壓電傳感器進行分析,研究了利用壓電晶體進行測量的原理,并對其壓電傳感器的結構形式進行分析。由于時間原因,以上的方案和設想并沒有經過仔細的研究及嚴格的論證,其實用性和可行性還有待于今后的深入研究。

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