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超声检测法涡街流量计的研究

发表时间:2018-05-23
超声检测法涡街流量计的研究
一、超声涡街流量计的特点
卡曼涡街原理应用到流量测量领域之后,十多年来取得了飞速发展。在如何检测涡街频 率问题上,人们进行了各种试验研究,并把各种感测技术应用到这方面来,希翼制作出简单 而可靠并能适应各种测量条件的旋涡感测器。其中包括尾流的热线风速计、压力感测头、热 敏电阻元件、应变技术和机电式换能器等。上述这些感测器件,各自在不同的条件下,获得了不同程度的应用。但是,由于这些感测器件受到带宽、结构的易脆性、低调制电平、机械 谐振特性及制作工艺的复杂性等因素的影响,使它们的应用受到一定的限制。自从一九六九年声学的方法用于涡街的感测之后,使涡街的感测技术取得了新的突破。据有关刊物报导, 美国西屋企业首先研制成功了液体超声涡街流量计。后来又研制出气体超声涡街流量计。日 本、加拿大等国家也相继进行了这方面的研究工作。
和其它卡曼涡街流量计一样,超声涡街流量计也具有测量信号与介质及状态无关,量程 范围宽,输出为频率信号,插入式结构轻巧,便于安装维护等特点。同时,与目前工业上大 量应用的几种仪表相比还有以下特点:与差压流量计相比,它的量程范围宽,检测件压力损失小,输出为线性的频率信号;与涡轮流量计相比,它无可动部件,可靠性高,信号不受介质粘度的影响;与电磁流量计相比,结构轻巧,可测非导电性流体;与超声波流量计相比,它的结构简单,造价低廉。
大家研制的超声检测法涡街流量计,由于超声换能器和检测件采用了不锈钢材料,可以耐腐蚀。特别是液体型涡街流量计,由于超声换能器装在测量管道外壁,对介质的流量进行不接触式测量,是高压腐蚀性介质的良好测量仪表。
二、涡街流量计仪表的工作原理
当流体中插入一根非流线型物体时,在其下游会产生两排内旋的、相互交替的旋涡列, 其旋涡的频率正比于流速,旋涡列以较流体稍慢的速度向下游方向运动。由于流体具有粘性,旋涡将逐渐衰减而消失,管道中流体又恢复到原来的流动状态。通常人们把这两排涡列称卡曼涡街。插入流体中产生涡街的物体称旋涡发生体。
只要测量出涡街频率/,就可确定管道中对应的流量。超声波涡街流量计就是利用卡曼涡街原理,采用涡街调制超声的感测方法来测量涡街频率,而最终实现 流量测量的。流体中插入旋涡发生体后,两列旋转方向相反的涡街随流体向下游方向运动,并依次通 过声束。当旋涡与声束相遇时,由于旋涡内部的压力梯度和旋涡的旋转运动,使通过旋涡的 声能产生部分反射和折射(统称为散射),结果到达接收换能器5的声能减少,旋涡流过声 束后5接收到的声能又恢复到常态。由此可知:由于流体中的涡街存在,使声朿受到间断 的、与通过声束的旋涡对数相同的调制,而调制频率/就是涡街的频率,接收换能器接收到的信号。
旋涡对声束的调制度M的大小,取决于旋涡的特性,旋涡越强烈,调制度也就越大。不同旋涡发生体产生的旋涡强度是不同的。而对同一旋涡发生体,旋涡强度则随流速的高低而 变化。一般高流速时,产生的旋涡强度要比低流速时产生的旋涡强度高,所以高流速时超声的调幅度远比低流速时大得多。
    
                                 图1                                                                                                                 图2
气体流速0时,                                                                                                                  气体流速为2.4米/秒,
无调制信号载波调幅度
M= 0• 扫描时间为10毫秒/厘米                                                                                       涡街频率为49.1Hz, 扫描时间10毫秒/厘米
                                
   
                               图3                                                                                                                 图4
气体流速K =12.2米/秒,                                                                            涡街頻率为542Hz,   
涡街频率为249.5Hz,扫描时间5奄秒/厘米                                             扫描时间为5奄秒/厘米     
                                                     
图4中的四幅照片,是进行气体试验时拍摄的波形照片。可清楚地看出不同流速时,超 声波被不同强度的旋涡调制的情况。每幅照片中有上、下两条示波器的扫描轨迹。照片上半部的波形为中频放大器输出信号,即被涡街调制后的超声波(工作频率载波信号* 照片下半部的波形为调制信号经检波后,由低频放大器放大后的波形,即涡街信号的波形。
还需说明,超声在这里仅仅起到载波的作用。只要有旋涡通过它,它就被调制,调制频率完全取决于涡街频率,而与超声本身的频率和声速无关。所以声速的变化对测量精度不会产生影响,这又是超声涡街流量计比超声波流量计的优越之处。

综上所述,整个仪表应由几部分组成:发射电路、接收电路、声学系统和涡 街发生机构四部分。发射电路包括振荡器、功率放大器;接收电路包括中频放大器、检波器 和低频放大器> 声学系统包括发射换能器、接收换能器;涡街发生机构包括旋涡发生体及定位结构
振荡器产生频率比涡街频率高2?3个数量级的等幅连续振荡信号,经功率放大器放大 后,激励发射换能器。换能器把电信号转换成超声信号,向流体中发射。超声波通过介 质向对面传播,中途被涡街调制后继续向前到达接收换能器B。接收换能器又把超声信号转 换成电信号,加到中频放大器的输入端,经中频放大器放大后,进行检波,检出涡街信号。 又经低频放大器放大,整形,输出给显示装置或调节控制仪表,进行流量的显示,累计和记录及自动调节。

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