基于微型瞬态压力传感器的涡街互相关流量计的制作方法

本发明涉属于流量测量领域，涉及一种涡街互相关流量计。

背景技术：

卡门涡街是流体力学中重要的现象，当流体流过钝体时在频率f处钝体两侧交替发生旋涡脱落，并在尾流中形成涡街，通过测量涡街脱落频率即可实现流量的测量。涡街广泛存在于化工、航天、石油等工业领域中，实现涡街流场流量的准确测量，对于工业生产的过程控制和生产安全有着重要意义。

对于涡街流场内流体流量进行测量的方法种类繁多，如电导探针、光纤探针、压电传感器等。探针类传感器方法简单，价格低廉但由于其侵入流场进行测量，对流场产生扰动其测量精度大大降低，近年来已经逐渐被取代。压电式传感器同样属于侵入式测量，并且抵抗振动干扰信号能力较差，从而使得涡街流量测量存在失真；在信号采集中仅获取信号的频率信息，对真实的流场波动信息几乎没有体现，而涡流场中旋涡脱落、发散、分离等现象都将引起流场中压力的动态波动，内部流动条件的变化对于提高测量精度起着重要的作用。此外，当前测量手段在小口径的涡街流场测量中经常存在量程比较小的问题，导致测量精度较低，测量范围较窄，实用价值降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于微型瞬态压力传感器的涡街互相关流量计，可以实现高速流场条件下的小口径宽量程测量。技术方案如下：

一种基于微型瞬态压力传感器的涡街互相关流量计，以微型瞬态传感器作为测量元件，瞬态压力传感器包括探头和变送放大器，其中探头包含敏感元件及引压管，敏感元件位于引压管末端，引压管与测量管道相连；引压管的长度不超过管壁厚度且尽可能小，引压管直径与探头引压孔直径保持一致，以此保证引压管腔室足够小；采用两个相同的瞬态压力传感器进行涡致波动压力信号的采集，两传感器距离l小于一个涡街信号的波长，分别安装于距离钝体迎流面的0.2d及1.0d处，其中d为管道内径，径向位置固定于信号质量较好的斜上方45°位置；将两个瞬态压力传感器处采集的涡街信号利用互相关方法进行处理，得到涡街对流速度，对流速度与来流速度之间呈线性关系，经标定后获得来流速度，进而得到平均流量测量值。

通常dn15压电式涡街流量计的测量范围为13～25m³/h，量程比为2:1。本发明的有益结果是，通过设计的具有微型引压系统的瞬态压力传感器，改善了小口径高速气相介质测量中压力易失真问题，确保了瞬态压力测量准确性和互相关计算精度。基于微型瞬态压力传感器的涡街互相关流量计，可将线性测量范围扩大到8～25m³/h，同时保证测量不确定度在±2％以内，有效降低了测量下限，提高了量程比。同时，瞬态压力传感器体积微小，且嵌装于实验测量段管壁，避免了侵入式检测装置对于流场造成扰动影响并具备良好的抗振性能，保证了测量结果真实性。

附图说明

图1瞬态压力传感器结构

其中：1-探头，1-a引压管，1-b敏感元件；2-前端引线；3-变送放大器；4-后端引线

图2瞬态压力传感器其微型引压系统

其中：5-测量管道；6-垫圈；7-m5螺纹；8-螺母

图3瞬态压力传感器的安装位置

其中：9-钝体

图4单相气体介质中涡街对流速度与对流系数标定结果

(实验条件：管道中压力300kpa；介质为空气，流量范围为8～25m³/h。)

图5湿气条件下涡街对流速度与对流系数标定结果

(实验条件：管道压力300kpa，气相介质为空气，流量为17m³/h；液相介质为水，流量范围为1.64～5.10ml/s，液相加载量为0～0.35)

具体实施方式

本发明提供一种适用于小口径管道中涡街流量测量装置。该装置可满足高频、高速气相涡街流场中的全频率范围测量，并扩大了涡街流量特性曲线范围。具体本发明通过以下装置和技术方法实现：

一种基于微型瞬态压力传感器的小口径宽量程涡街互相关流量计，适用于高速流场条件下小口径管道的流量测量，以微型瞬态传感器作为测量元件，基于互相关理论进行速度测量。瞬态压力传感器主要包括探头1，前端引线2、变送放大器3、后端引线4。其中探头1中包含敏感元件1-a及引压管1-b，敏感元件1-a位于引压管1-b末端，引压管1-b通过螺母8与测量管道5相连，后通过前端引线2接入变送放大器3，经后端引线4将信号输出。

为确保瞬态压力传感器的频率响应，提高在小口径高气速条件下的瞬态压力测量精度，优选的，

(1)引压管1-b其长度l不超过管壁厚度且尽可能小直至接近于0，直径d与探头引压孔直径保持一致，以此保证引压管1-b腔室足够小其体积可忽略不计。

(2)敏感元件1-a选用多晶硅，体积微小近似为0。

(3)采用两个完全相同的瞬态压力传感器a1、b1进行涡致波动压力信号的采集，两传感器距离l小于一个涡街信号的波长，分别安装于距离钝体0.2d及1.0d(其中d为管道内径)处，径向位置安装于信号质量较好的斜上方45°位置。

(4)将a1、b1处相关性最强的涡街信号利用互相关方法进行处理，得到涡街对流速度，对流速度与来流速度之间呈线性关系，经一次性标定后获得来流速度，进而得到平均流量测量值。

采用本发明的涡街流量测量装置，与现有测量技术相比较，具有以下特点：

(1)通过设计的具有微型引压系统的瞬态压力传感器，改善了小口径高速气相介质测量中压力易失真问题，确保了瞬态压力测量准确性和互相关计算精度。

(2)通常dn15小口径压电式涡街流量计的测量范围为13～25m³/h，量程比为2:1。基于微型瞬态压力传感器的涡街互相关流量计，可将线性测量范围扩大到8～25m³/h，同时保证测量不确定度在±2％以内，有效降低了测量下限，提高了量程比。

(3)确保了瞬态压力传感器的频率响应，提高在小口径高气速条件下的瞬态压力测量精度，可实现频率760～2230hz范围内压力测量误差小于10％，保证了瞬态压力测量准确性。传感器测压范围为100～400kpa(绝压)，准确度为0.25％fs，分辨率为0.02％。

(4)同时，瞬态压力传感器体积微小，且嵌装于实验测量段管壁，避免了侵入式检测装置对于流场造成扰动影响并具备良好的抗振性能，保证了测量结果真实性。

为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的涡街互相关流量计通过以下传感器(结构示意见图1)和测量方法实现，瞬态压力传感器敏感元件选用体积十分微小的多晶硅，在管壁厚度为8.5mm的dn15试验管段中，设计引压管(见图2)长度l＝8.5mm，引压管直径d＝1.5mm，嵌装于实验测量段管壁，不侵入流场。瞬态压力传感器a1、b1分别安装于距离发声体0.2d及1.0d(其中d为管道内径)斜上方45°处，具体安装位置如图3所示。

测量方法如下，流体平均流量q可表示为

其中，流体来流速度vl可通过涡对流速度得到。一定速度范围内，对流速度vc与速度vl的比值为一常数k，即

其中，k为对流系数。平均对流速度可估计如下

其中，l为两传感器之间的间距，τ0为涡由上游传感器传播到下游传感器所需的时间，称为渡越时间。基于互相关理论，渡越时间τ0等于上下游压力波动信号最大互相关系数对应的延迟时间，其中a1、b1处信号间相关系数为

实际系统通常为数字系统，其相关系数离散表达式为

n为采样点，τ为延迟时间，fs为采样频率。

为保证对流速度vc估计精度，需准确获取渡越时间τ0，则传感器系统应具有足够高的采样频率以及积分时间，其中采样频率fs需满足

vcmax为最大对流速度，δ为最大相对误差。

积分时间t需满足

t≥10τ0max\*mergeformat(7)

为进一步说明，进行了实验验证。实验中管道压力为300kpa，实验介质为空气，流量范围为8～25m³/h。

根据上述内容，为获取相关测速中涡街对流速度，首先需要确定采样频率fs及积分时间t。当最大涡街对流速度按照vcmax＝37.7m/s(流量为20m³/h折算)，时间测量最大相对误差取δ＝±5％，传感器间距l为0.8d＝0.012m时，由式6得fs＝30.7khz，最终确定采样频率为60khz；最小涡街对流速度按照vcmin＝14.1m/s(流量按照10m³/h折算)，由式7最大渡越时间为7.07×10^-4s，因此积分时间应大于等于7.07×10^-3s，即积分点数至少为700，最终确定实验积分点数为800。为保证结果准确性，最后将500个计算结果的平均值作为相关系数。

实验结果表明本发明涡街互相关流量计在气相流量为8～25m³/h范围内，得到气相涡街场中k＝0.866，不确定度为±2％，结果如图4。

此外通过实验验证，本发明在垂直向下的气液雾状流中同样适用。实验管道压力300kpa，气相介质为空气，流量为17m³/h，液相介质为水，流量范围为1.64～5.10ml/s，液相加载量为0～0.35。实验结果表明，k＝0.6，不确定度为±5％，结果如图5。

本发明在通过设计微型压力传感器，改善了小口径高速气相介质压力测量中易失真问题，确保了瞬态压力测量准确性和互相关计算精度。有效降低了测量下限，将量程比提高到3:1，在8～25m³/h范围内实现气相流量测量精度±2％，k＝0.866，提高了流量测量的适用范围。