压电式与差压式涡街流量计测量性能比较

　　1　引　言

　　当管道内发生卡门涡街时,旋涡频率与流体平均流速之间存在着线性关系。涡街流量计就是利用这一现象发展起来的一类新兴流量仪表。在涡街流量计中,首先需要测得旋涡频率,再根据有关的关系式计算出管道内介质的流量。所以,旋涡频率的检测是涡街流量计的关键技术。

　　伴随旋涡的形成和脱落,旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力的周期振荡,依据这些现象可以进行旋涡频率检测。目前,涡街流量计旋涡频率检测方法主要有热丝式、热敏式、电容式、压电式、应变式及超声式等。其中,压电式总体效果最好,最为常用。除了这些方法以外,本文作者又提出了一种通过检测旋涡尾流中贴近管壁处的压力变化来获取旋涡频率的新方法[1~3],即管壁差压式检测法,形成了一种新型的差压式涡街流量计[4]。由于差压式检测法简单、可靠,因此具有广泛的工业应用前景。

　　本文的研究目的是通过对比实验来比较压电式和差压式这两种主要的涡街流量计旋涡频率检测方法的测量性能———具体分析这两种方法在旋涡频率测量、信号幅度和抗干扰性三个方面的差异,为优化涡街流量计的测量提供有益的借鉴。①

　　2　压电式与差压式旋涡频率检测法

　　压电式与差压式旋涡频率检测法的测量原理如图1所示。

　　压电式旋涡频率检测法是在旋涡发生体内部或外部安置压电晶体,利用压电晶体检测受到的交变应力来测量旋涡频率。交变应力诱导产生交变电荷,交变电荷经放大、滤波、整形后得到与旋涡频率相应的脉冲信号或电压信号。压电式检测法响应快、信号强、制造成本低、可靠性较高,是目前涡街流量计的主要产品类型,已有系列化产品。但是,压电晶体对管道的振动敏感,当流体或管道有振动时,测量会产生很大的误差,甚至无法使用;此外,压电晶体长期使用的稳定性较差,特别是无法在高温下测量。近年来,国内外许多研究人员在传感器结构和信号处理等方面做了大量的工作[5~10],但是都无法从根本上解决上述问题。

　　差压式旋涡频率检测法基于以下基本事实:有旋涡产生的地方必有压力的变化,交替产生的旋涡必然会导致附近流场的压力出现规则的变化,其变化的频率与旋涡的频率一一对应,所以通过检测发生体尾流中某确定的两点间的波动差压可以用来测量旋涡频率。由于旋涡发生体两侧对称点上的相位差为180°且振动幅度和频率相等[11],因此将差压取压位置选取在管壁上的对称点更利于检测。差压式检测法操作简便、易于实现、工作可靠、反应迅速、灵敏度高,引压系统对管内待测介质流动几乎没有影响。同时,由于传感器系统独立于旋涡发生体并且位于管道外面,维修和更换时不需要切断管流拆卸旋涡发生体,可以实现传感器在线维修和更换。