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涡街流量计

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用于高温流体测量的涡街流量计的国内外研究现状

来源:编辑:发表时间:2017-07-11 14:59:57

        1878年,匈牙利物理学家斯特劳哈尔(Strouhal)在进行实验时首次发现了涡街现象。1912年,德国物理学家冯•卡曼(Von.Kallnan)通过大量的实验观察,对产生稳定涡街的条件进行了研究,在其发表的关于无限大均匀流场中涡街稳定条件的著名论文中,从数学的角度论证了圆柱形漩涡发生体产生稳定漩涡的条件。然而,早期人们进行涡街现象的研究主要是为了防灾。例如,高楼、桥梁等在大风中被破坏。人们通过对涡街形成的规律性进行研究,寻找其形成破坏作用的原因,从而找到相应的防止方法。

        到20世纪50年代,人们才开始应用卡曼涡街进行简单的流速测量,如风速计和船速计。而对于封闭管道流量计的研制,要推迟到20世纪60年代中期,研制了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。

        20世纪70年代,涡街流量计开始步入高速发展的时期,出现了多种新型的信号检测方法,诞生了许多新产品。在我国,面对庞大的市场,涡街流量计发展迅猛,生产涡街流量计的厂家达数十家。但是,目前国内企业生产的涡街流量计大多为中低端产品,而中高端涡街流量计市场基本被国外产品所垄断。

        为此,急需研制出高性能涡街流量计。高性能涡街流量计要能够满足一些特殊工况的需求:能够进行高温流体测量;低功耗、两线制地实现信号的数字处理,同时具有通信功能;能够进行Re(雷诺数)在5000~20000范围内的低流速流量的测量。

1.3.1用于高温流体测量的涡街流量计国内外研究现状

             普通的涡街流量计一般采用压电陶瓷材料来制作涡街流量传感器,以检测漩涡脱落频率。压电陶瓷材料的温度稳定性较差,导致涡街流量计无法测量高温流体。为了能够进行高温流体测量,国内外专家、学者和企业开展了大量的实验研究工作,提出了相应的解决办法,主要包括两个方面。

        (1)将涡街流量传感器与被测流体隔开

        邢德辉等人设计了一种不断流可更换传感头高温型涡街流量计通过对普通涡街流量计的机械结构进行改进,将与流体直接接触以检测漩涡压力的探头与信号检测传感器巧妙地隔开。由于信号检测传感器与探头之间是完全密封隔离的,信号检测传感器的温度远远低于实际流体的温度,从而可以进行高温流体地测量。此外,采用这种隔离的结构设计,可以很方便地进行信号检测传感器的更换和维护。但是,由于信号检测传感器与探头之间需进行完全密封隔离,流量计的机械结构复杂,对工艺要求较高,导致成本较大。此外,这种隔离的机械结构会导致信号检测传感器对涡街振动的敏感性较差,导致信号检测传感器的输出信号幅值较小、灵敏度低。

        (2)开发耐高温材料来制作涡街流量传感器

        周家光等人通过改善制备工艺,攻克了偏铌酸铅材料制备困难的问题,获得了优质的PNC型改性偏铌酸铅高温压电陶瓷,并用该压电陶瓷材料制成PNC型耐高温涡街流量传感器进行研究。研究表明,该耐高温涡街流量传感器的温度特性较好,被测流体的温度可以高达350℃,大大提高了涡街流量计的应用温度范围。

        吴国玢等人研制成功采用BST(含铋层状钛酸铅)压电陶瓷元件的400℃耐高温涡街流量计,填补了国内在这方面的空白。编辑通过与企业合作进行现场试验。试验结果表明,该耐高温涡街流量计可以进行400℃高温流体的测量,其绝缘阻抗在1MΩ以上,进一步提高了涡街流量计的应用温度范围。

        日本奥巴尔企业采用压电晶体材料来制作耐高温涡街流量传感器,可以进行400℃以上的高温流体测量。与压电陶瓷材料相比,其压电系数的温度稳定性更好,可以进行更高温度流体测量。但是,其压电系数的大小仅为压电陶瓷的几十分之一,并且其阻抗更大。这就导致该企业的耐高温涡街流量传感器的输出信号灵敏度较低、抗干扰能力较差。为此,需研究有效的方法来提取流量信号,并提高抗干扰能力。

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