【文章內(nèi)容簡介】 三角柱旋渦發(fā)生體d/D=～。c/D=～。b/d=1～。θ=15o～65o　　電容式VSF應用檢測方式1）、2），安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測元件相當于一個懸臂梁（）。當旋渦產(chǎn)生時，在兩側形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小變形，從而導致一個電容間隙減少（電容量增大），另一個電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測電容差值。當管道有振動時，不管振動是何方向，由振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設計時保證了振動體與電極的幾何結構與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動信號為零。這就是電容檢測元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動的影響，但大大提高了耐振性能。試驗證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個優(yōu)點是可耐高溫達400oC，溫度對電容檢測元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。試驗證明，當溫度升高至400oC時無論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。4. 局限性VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（ReD≥2104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉流的影響，應根據(jù)上游側不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設流動調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計的直管段長度要求安裝。力敏檢測法VSF對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所?！　∨c渦輪流量計相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計用于DN300以下。儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗。5. 傳感器的口徑選擇傳感器的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要，它類似于差壓流量計節(jié)流裝置的設計計算，要遵循一些原則進行選擇。儀表口徑選擇步驟如下。首先必須明確以下工作參數(shù)。1) 流體名稱，組分； 2）工作狀態(tài)的最大、常用、最小流量；3）最高、常用、最低工作壓力和工作溫度；　4）工作狀態(tài)介質(zhì)的粘度?！鞲衅鞯妮敵鲂盘柺桥c工作狀態(tài)的體積流量成正比的，因此如已知氣體流量是標準狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量時，應把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量qv　　　　　　　　　　　　　　qv=qn（pnTZ/pTnZn） m3／h 　　　　　　　　?。?）式中 qv，qn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量，m3／h； 電容式檢測元件 　 P，Pn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；　　 T，Tn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的熱力學溫度，K；　　 Z，Zn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。工作狀態(tài)下介質(zhì)的密度ρ和體積流量qv　　　　　　　　　　ρ=ρn（pTnZn/ pnTZ） 　　　　　　　　　　　　　　?。?）式中　　ρ，ρn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的介質(zhì)密度，kg/m3；　其余符號同上?！　　　　　　　　　　　　　v=qm／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　 （7）式中 qm質(zhì)量流量，kg/h?！　∠旅嫘枰x擇傳感器口徑。傳感器口徑選擇主要是對流量下限值進行核算。它應該滿足 兩個條件：最小雷諾數(shù)不應低于界限雷諾數(shù)（ReC＝2104）和對于應力式傳感器在下限流量 時旋渦強度應大于傳感器旋渦強度的允許值（旋渦強度與升力ρU2成比例關系），對于液體 還應檢查最小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓，即是否會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象?！　∵@些條件用數(shù)學式可表示如下（810）(qVmin ) ρ= qVminρ0/ρ (qVmin )v=qVminυ/υ0 Pmin=△p+ PV 式中 qVmin，qV0min分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下的最小體積流量，m3/h；　?。╭Vmin）ρ滿足旋渦強度要求時最小體積流量，m3/h；　?。╭Vmin）υ滿足最小雷諾數(shù)要求時最小體積流量，m3/h；　　ρ，ρ0分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質(zhì)的密度，kg/m3；　　υ，υ0分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質(zhì)的運動粘度，m2/s；　　Pmin最小工作壓力，Pa；　　△p最大流量時傳感器的壓力損失，Pa，　　　　　　　　　　△p=CD（ρU2/2），CD≈2 （11）　　U管道平均流速，m／s；　　PV工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa?！　”容^（qVmin）ρ，和（qVmin）υ：　　若（qVmin）υ≥（qVmin）ρ，可測流量范圍為（qVmin）ρ～qVmax，線性范圍為（qVmin）υ～qVmax；　　若（qVmin）υ＜（qVmin）ρ，可測流量范圍和線性范圍為（qVmin）ρ～qVmax?！　×髁繙y量范圍的確定還應檢查是否處于儀表的最佳工作范圍（即上限流量的1/2～2/3處）。 某型號渦街流量計特定校準條件下流量測量范圍口徑DN/mm液體/（m3/h）氣體/（m3/h）標準測量范圍可選測量范圍標準測量范圍可選測量范圍20～121～156～505～7725～16～188～608～120402～302～4818～18018～310503～503～7030～30030～4808015～15010～17070～70070～123010020～20015～270100～1000100～192012536～36025～450150～1500140～300015050～50040～630200～2000200～4000200100～100080～1200400～4000320～8000250150～1500120～1800600～6000550～11000300200～2000180～25001000～10000800～18000注：校準條件如下：　　1．液體：常溫水，t=20℃，ρ=，υ=106m2/s?！　?．氣體：常溫常壓空氣，t=20℃，P=（絕），ρ= kg/m3，υ=15106m2/s?！　「鶕?jù)上述原則選擇的儀表口徑不－定與管道通徑相一致，如不同時應連接異形管并配置一段必要的直管段長度。6. VSF的精確度　　VSF的精確度對于液體大致在177。%R～177。2%R，對于氣體在177。l%R～177。2%R，%～%。由于VSF的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表口徑不宜過大（DN300以下）?！　》秶葘捠荲SF的特點，但重要的是下限流量為多少。，氣體為4～5m／s。VSF的正常流量最好在正常測量范圍的1/2～2/3處?！　SF的儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點，可以用一種典型介質(zhì)校驗而應用到其他介質(zhì)去，對于解決校驗設備問題提供便利。但是應該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不 同，電路參數(shù)亦不同，因此，同一電路參數(shù)是不能用于不同測量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)亦應隨之改變。　　另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時產(chǎn)生的信號強度與密度成正比。因此信號強度差別亦很大，液、氣放大器電路的增益，觸發(fā)靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大， 電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽）隨著介質(zhì)壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號強度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺VSF不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。7. 主要問題　　VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，總結起來主要有以下幾點原因。　　1）產(chǎn)品質(zhì)量問題，設計原理或設計方案有嚴重缺陷，產(chǎn)品材料、工藝質(zhì)量不良。尤其近年來，一些生產(chǎn)廠片面追求利潤，產(chǎn)品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽?！　?）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數(shù)不準確，使得選型不當；安裝地點選擇有問題，安裝不符合規(guī)定要求?！　?）現(xiàn)場調(diào)整問題，現(xiàn)場投運缺乏調(diào)整或調(diào)整不當，正確的調(diào)整是用好的關鍵。 本設計采用的是SWINGIRLⅡ電容式渦街流量傳感器。其工作原理為：當管道中流體流經(jīng)漩渦發(fā)生體而交換成兩側列漩渦即卡門旋街時，由于在漩渦分離點引起低壓，結果在漩渦發(fā)生體兩側產(chǎn)生反向的周期性壓力脈沖，并通過側面孔傳到漩渦發(fā)生體中心孔內(nèi)部而作用到振動舌上，使它沿著X軸做周期性橫向偏移，但由于振動舌上端固定，故這種周期性偏移實際上演變?yōu)閿_性振動，其頻率和相位嚴格與渦街壓力脈沖一致，但振幅甚微，振動舌始終不會碰觸漩渦發(fā)生體中心孔內(nèi)壁和電極支座。另一方面，流體漩渦壓力脈沖不會使電極支座發(fā)生任何偏移。所以在漩渦壓力作用下僅是振動舌的下端相對于靜止的支座相對運動。在某一時刻，振動舌與支座上一個電極之間的距離縮短，而與另一個電極之間的距離增大；前置放大器電容檢測電路分別向兩個電容充電，而振動體與支座相對運動引起的電容變化發(fā)應為電流大小的變化，從而實現(xiàn)機電轉換。電容檢測電路按“差動開關電容”原理設計。僅產(chǎn)生一個與兩個電容差值所決定的差動信號，而原來的兩個基本電容值則在形成差動電容時被抵消，其頻率和流量成正比。 其適用范圍：SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器是采用差動開關電容（DSC）作為檢測元件，來感測渦街發(fā)生體產(chǎn)生的渦街頻率的一種器材，壓力損失?。婚L期穩(wěn)定性好；工作壽命長；測量準確度高等。廣泛應用于測量封閉福安道中的氣體、蒸汽和液體的流量。例如：煤氣、天然氣、壓縮空氣、柴油；變溫液體及液化的二氧化碳、氮、天然氣等低溫液體。 SWINGIRLⅡ電容式渦街流量傳感器工作原理（RCV420）變換器的設計 變換器的介紹由于SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器輸出的是0～20mA或4～20mA的電流信號，所以必須先將電流信號轉換為電壓信號。傳感器輸出的信號為0～10mA或4～20mA的電流信號，這一方面提高了信號遠距離傳送過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減；另一方面為與標準化儀表和執(zhí)行器匹配提供了方便。當模擬量輸入為電流信號時，就要經(jīng)過電流/電壓（I/V）轉換處理，得到適合A/D轉換器使用的電壓信號。本文采用的RCV420變換器是美國RURRBROWN 公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片，用于將4～20mA輸入信號轉換成為0～5V輸出信號，它具有很高的性能價格比。它包含一個高級運算放大器、一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡和一個精密10V電壓基準。％，共模抑制比CMR達86dB，共模輸入范圍達177。40V?！?，在環(huán)路中串有其他儀表負載，或者在對變送器電壓有嚴格限制的應用場合非常有用。10V電壓基準提供了一個典型溫漂為5ppm/℃的精密10V輸出。RCV420無需其它外圍器件輔助，就能實現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設計的印制板電路，RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場維護費用。 RCV420變換器 工作原理 。當4－20mA電流輸入對應0－5V電壓輸出時，要求電路的傳輸阻抗為：VOUT/IIN=5V/16mA=（4mA時0V，20mA時5V），放大器的輸出必須有一個偏置:VOS=－4mA（）=－+IN端還是接至－IN端取決與信號的極性，并經(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個匹配的75Ω檢測電阻Rs構成對稱輸入，可最程度地抑制CT腳的共模電壓信號，消除不同輸入端電流在差分電壓轉換時的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經(jīng)差分放大器放大，轉換成一個與之成正比的電壓。位于放大器反饋通道中的T型網(wǎng)絡節(jié)點用于產(chǎn)生所需要的－。輸入電阻網(wǎng)絡提供了很高的輸入阻抗，并將共模輸入電壓衰減至運算放大器的共模信號容限內(nèi)。 功能框圖 注意事項　 。正負電源腳各接一個1μF的退耦電容，并盡能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和CMR誤差，應按圖示方法接地，并確保最小接地電阻。輸入信號視其極性或接至+IN腳，或接至－IN腳，經(jīng)中心抽頭CT腳返回地端。電壓基準的輸出Ref OUT腳應接至Ref IN，以產(chǎn)生電平偏置。Ref IN腳不用時必須接地，以維持高共模抑制。RCV420的增益調(diào)節(jié)電路。在運放的反饋通道插入一個小電阻R1，可以增大增益。采用此方法增大增益將導致CMR下降，因此，增益調(diào)節(jié)應盡可能的小，以滿足前期的設置。例如，用一個125Ω電阻可使增益增大1%，但CMR將下降約6dB。在檢測電阻上并聯(lián)匹配電阻RX，可以減小增益。增益值由下式表示：VOUT/IIN=（RX+RS）%。為了維持高共模抑制，并聯(lián)電阻的匹配很重要。并聯(lián)電阻的溫度參數(shù)的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。　 偏置調(diào)零有兩個方法可對RCV420的輸出偏置電壓進行調(diào)零。一是用片內(nèi)10V基準作電平移動，對電壓基準的輸出進行調(diào)整。在Rcv Com腳外接低輸出阻抗運放，這種方法可對輸出偏置電壓進行較大范圍地調(diào)節(jié)。采用這個辦法調(diào)零，Ref IN腳必須與Rcv Com腳相連，且要求Rcv Com腳對地端為低阻抗，以維持高共模抑制。 　　 　 A/D轉換器的設計 TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過I/O CLOCK、CS、DATA OUT三條口線進行串接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最小可達17μs?？偸д{(diào)誤差最大為177。，典型功耗值為6mW。起作用是將模擬量轉換為數(shù)字量。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換。REF+：正基準電壓輸入 ≤REF+≤Vcc+。REF－：負基準電壓輸入端，≤REF≤。且要求：（REF+）－（REF）≥1V。 VCC：系統(tǒng)電源3V≤Vcc≤6V。GND：接地端。/CS：芯片選擇輸入端，要求輸入高電平 VIN≥2V，輸