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    渦街流量計

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    用于高溫流體測量的渦街流量計的國內外研究現狀

    來源:作者:發表時間:2017-07-11 14:59:57

            1878年,匈牙利物理學家斯特勞哈爾(Strouhal)在進行實驗時首次發現了渦街現象。1912年,德國物理學家馮•卡曼(Von.Kallnan)通過大量的實驗觀察,對產生穩定渦街的條件進行了研究,在其發表的關于無限大均勻流場中渦街穩定條件的zhuming論文中,從數學的角度論證了圓柱形漩渦發生體產生穩定漩渦的條件。然而,早期人們進行渦街現象的研究主要是為了防災。例如,高樓、橋梁等在大風中被破壞。人們通過對渦街形成的規律性進行研究,尋找其形成破壞作用的原因,從而找到相應的防止方法。

            到20世紀50年代,人們才開始應用卡曼渦街進行簡單的流速測量,如風速計和船速計。而對于封閉管道流量計的研制,要推遲到20世紀60年代中期,研制了熱絲檢測法及熱敏檢測法渦街流量計。

            20世紀70年代,渦街流量計開始步入高速發展的時期,出現了多種新型的信號檢測方法,誕生了許多新產品。在我國,面對龐大的市場,渦街流量計發展迅猛,生產渦街流量計的廠家達數十家。但是,目前國內企業生產的渦街流量計大多為中低端產品,而中高端渦街流量計市場基本被國外產品所壟斷。

            為此,急需研制出高性能渦街流量計。高性能渦街流量計要能夠滿足一些特殊工況的需求:能夠進行高溫流體測量;低功耗、兩線制地實現信號的數字處理,同時具有通信功能;能夠進行Re(雷諾數)在5000~20000范圍內的低流速流量的測量。

    1.3.1用于高溫流體測量的渦街流量計國內外研究現狀

                 普通的渦街流量計一般采用壓電陶瓷材料來制作渦街流量傳感器,以檢測漩渦脫落頻率。壓電陶瓷材料的溫度穩定性較差,導致渦街流量計無法測量高溫流體。為了能夠進行高溫流體測量,國內外專家、學者和公司開展了大量的實驗研究工作,提出了相應的解決辦法,主要包括兩個方面。

            (1)將渦街流量傳感器與被測流體隔開

            邢德輝等人設計了一種不斷流可更換傳感頭高溫型渦街流量計通過對普通渦街流量計的機械結構進行改進,將與流體直接接觸以檢測漩渦壓力的探頭與信號檢測傳感器巧妙地隔開。由于信號檢測傳感器與探頭之間是完全密封隔離的,信號檢測傳感器的溫度遠遠低于實際流體的溫度,從而可以進行高溫流體地測量。此外,采用這種隔離的結構設計,可以很方便地進行信號檢測傳感器的更換和維護。但是,由于信號檢測傳感器與探頭之間需進行完全密封隔離,流量計的機械結構復雜,對工藝要求較高,導致成本較大。此外,這種隔離的機械結構會導致信號檢測傳感器對渦街振動的敏感性較差,導致信號檢測傳感器的輸出信號幅值較小、靈敏度低。

            (2)開發耐高溫材料來制作渦街流量傳感器

            周家光等人通過改善制備工藝,攻克了偏鈮酸鉛材料制備困難的問題,獲得了優質的PNC型改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷,并用該壓電陶瓷材料制成PNC型耐高溫渦街流量傳感器進行研究。研究表明,該耐高溫渦街流量傳感器的溫度特性較好,被測流體的溫度可以高達350℃,大大提高了渦街流量計的應用溫度范圍。

            吳國玢等人研制成功采用BST(含鉍層狀鈦酸鉛)壓電陶瓷元件的400℃耐高溫渦街流量計,填補了國內在這方面的空白。作者通過與企業合作進行現場試驗。試驗結果表明,該耐高溫渦街流量計可以進行400℃高溫流體的測量,其絕緣阻抗在1MΩ以上,進一步提高了渦街流量計的應用溫度范圍。

            日本奧巴爾公司采用壓電晶體材料來制作耐高溫渦街流量傳感器,可以進行400℃以上的高溫流體測量。與壓電陶瓷材料相比,其壓電系數的溫度穩定性更好,可以進行更高溫度流體測量。但是,其壓電系數的大小僅為壓電陶瓷的幾十分之一,并且其阻抗更大。這就導致該公司的耐高溫渦街流量傳感器的輸出信號靈敏度較低、抗干擾能力較差。為此,需研究有效的方法來提取流量信號,并提高抗干擾能力。

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