基于涡街的介质密度计算

　　1　引　　言

　　涡街流量传感器是近30年迅速发展起来的流量仪表,与传统的孔板流量计相比,有一系列独特的优点。在使用过程中,涡街传感器准确度高、结构简单、无可动部件、重复性好、压力损失小,并且其输出频率信号和流速成线性关系,同一台涡街传感器用于测量不同介质,其仪表常数不变,所以,越来越受人们重视。涡街传感器输出频率信号和被测介质的流速成正比,也就是和流体的工况体积流量成正比,所以,主要用来测量体积流量。但实际需求大多是计量流体的质量流量。当前流行的方法是通过测出流体体积流量和其密度,然后,将二者相乘间接测量质量流量。体积流量的测量可用涡街流量传感器来实现,而密度的测量比较复杂,流行的方法是通过压力变送器及温度传感器(或温度变送器)测量介质压力和温度,经二次仪表(或计算机)用软件计算出介质密度,进而算出质量流量。这种方法有一定的局限性,只有被测介质的密度和温度、压力关系是已知的,如蒸汽可以根据国家标准在不同的范围内拟合出蒸汽密度和温度、压力公式,或通过查表的方法来实现。但是,有时介质的密度和温度、压力的关系是不确定的,如混合均匀的多相流,各种成分构成比例随时变化,就不能找到合适公式和表格。

　　笔者对涡街传感器做了大量实验,在此基础上,提出用涡街作用力直接进行密度计算的新方法。

　　2　涡街作用力密度补偿的原理

　　2.1　传感器结构

　　传感器结构图如图1所示,涡街流量传感器是采用“卡曼涡街”原理制成的,如图1所示。在封闭的圆管内,垂直于流体的流向上放置旋涡发生体(通常为圆柱体、三角柱体或梯形柱体),当流体的流速达到一定的数值时,会在旋涡发生体的下游两侧产生两排交替出现的旋涡列。当旋涡具有稳定的陈列,且同列相邻旋涡间距离L与两列间距离H的比值H/L=0.281时,产生的旋涡是稳定的。这种稳定而有规则的旋涡列为“卡曼涡街”。

　　2.2　理论推导

　　由“卡曼涡街”原理可知,单列旋涡的频率f和被测流体的流速v之间呈现如下关系:

　　另外,根据流体力学原理,卡曼旋涡作用到传感器探头的力,和介质的平均流速v,介质密度ρ和受力面积A间关系式为:

　　由于流体质量流量Qm为体积流量Qv乘以密度:

　　即质量流量和压电晶体信号的幅值成正比,和涡街的频率成反比,λ定义为质量流量的仪表系数是常数。

2.3　实验数据验证

　　根据上述的原理选口径为50mm的涡街样机,传感器探头选用立片式结构,其信号大,可以将其等效为交流电压源。在以罗茨鼓风机为气源的空气流量标定装置上进行试验,用数字示波器测量原始涡街压电晶体信号的电压幅值Vm,并将信号进行频谱分析测出涡街频率f,如图2所示,同时记录气体的压力值P,实验时气温为21℃。