数字直读式涡街流量计的研制
1. 工作原理
电子数字直读式涡街流量计是基于“卡门”涡街原理而研制成的一种新型流量仪表。在流体管道中插入一个旋涡发生体,当管道中有流体流动时,在旋涡发生体的两侧将交替产生旋涡,在其下游交替排列的旋涡列被称为“涡街”,旋涡通过发生体两侧的引压孑L对检测探头产生作用力,封装在探头中的压电晶体受交变应力的作用而产生交变电荷,交变电荷信号经放大、整形、输出频率为ƒ的脉冲信号,该脉冲信号与管道的平均流速V成正比,与旋涡发生体柱宽成反比,用公式表示为:
式中Sr为斯特劳哈尔数(对一定柱体是~个常数);Dg为传感器内径。
由上式可知,通过测量涡街流量变送器的频率就可计算出管道的平均流速,进而求出体积流量,用公式表示为Q―Kf(K为仪表常数),流过管道的流量Q与检测元件输出的脉冲频率ƒ成正比,其比例系数K即为涡街流量变送器的仪表常数。涡街流量变送器输出的脉冲信号分为三路,一路进入瞬时流量显示电路,一路进入累计流量显示电路,一路进入F/V转换电路输出4∼20mA标准信号,完成流量计量。
数字直读式涡街流量计工作原理框图见图1。
2. 主要功能及性能
(1)瞬时流量数字显示功能。流量计表头配有三位液晶数字显示功能,每个采样周期刷新1次,显示位数为2位整数、l位小数,最大视值误差为±0.1。
(2)累计流量显示功能。累计流量是注水计量的主要参数,该流量计的表头具有8位液晶数字显示累计量。且累计量小数点位可根据计量精度任意漫定,每隔1个采样周期累加1次,连续累计,数字显示清晰,读数直观方便。
(3)流量系数预置功能。由于涡街流量变送器流量系数分散性大,1块表对应1个流量系数,为了使仪表表头具有通用性。特设嚣该功能。根据流量系数的不同由拨动开关和键盘对流量系数进行预置,一旦预置,系数即被记忆,无需重复设置,键盘纯数字操作,简单明了,仪表常数在出厂时一次设定,无需现场工人操作。
(4)掉电数据保护功能。仪表在线计量过程中,不会因停电而丢失累计流量数据。
(5)累计流量节电运行功能。当流量变送器由正常运行状态(输出脉冲信号)转入停止岷运行状态时(无脉冲信号输出),累计流量电路自动进入节电岷运行方式,即将累计的数据自动保护起来,并熄灭显示器;在流量变送器重新工作时,累计流量电路自动唤醒,由节电运行方式,转入正常计量。
(6)流量计传感器不接触介质,耐磨损,可靠性高。
(7)无可动部件和易损件,阻力系数小,是一种理想的节能型仪表。
(8)仪表特性不受介质温度、压力、密度和成份的影响。
(9)具有精度高、检验周期长、流量范围宽等特点。
3. 研制中采取的主要技术措施
在该仪表的研制中,为力求达到技术先进、运行可靠、通用性强、成本低廉的目的,采取了以下主要技术措施:
(1)可预置数任意分频技术。针对涡街流量变送器流量系数分散性大,l块表对应1个流量系数的特点,为了使研制出的流量计表头适应各种不同流量系数的涡街流量变送器,从理论上推导出了瞬时流量Q与采样周期S和流量系数K的关系式,推导如下:
由式(1)、式(2)可得:
由式(3)可知,要得到瞬时流量有两种方法可以实现:其一,变采样周期法,即采样周期随流量系数K的不同而变化;其二,定采样周期法,即采样周期固定,对输入的脉冲数进行任意分频。一般的仪表,流量系数固定,所有仪表都为一个流量系数,这样采用定采样周期法比较容易实现,而对流量系数不固定的涡街流量变送器,采用这种方法,电路上很难实现。
(2)专用计算芯片测流量技术。涡街流量计的累计流量是由流量变送器输出的脉冲个数的累计值N与流量系数K的比值,针对累计流量的特点,采用了分割累计法,即将累计流量分成很小的许多部分,用公式表示为;
也就是说,首先对流量变送器发出的脉冲个数进行一个固定的分频,那么每当变送器发出N个脉冲,累计流量就执行一次累加运算,将复杂的加、除运算,减化成纯加运算,这种方法的特点是易实现,电路简单,造价低。
(3)掉电数据保护技术。为了提高仪表的可靠性和适应性,在电路设计中采用了掉电数据保护技术,即在外部电源停电的情况下,仪表能可靠地将数据保护起来,当外部电源恢复供电后,仪表能够按停电前的工作状态继续运行,不会因停电或电源波动而丢失数据。
(4)节电运行技术。当涡街流量变送器不工作或外部电源停电时,累计流量显示电路将自动进入节电运行方式(休眠状态),此时将数据保护起来,熄灭液晶显示器;当涡街流量变送器恢复工作后,累计流量示电路将自动唤醒,由节电运行方式转入正常运行状态,且数据不被丢失。由于采用了此项技术,大大提高了仪表的适用性和抗干扰能力,延长了液晶示器的寿命。