專利名稱：雙障礙渦流流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種渦流流量計，它有至少兩個用于產生振蕩渦流并在低雷諾數下產生大致不變的Strouhal數的障礙件。
渦流流量計或流量計是眾所周知的，它通常包括一管子，流量和/或流速待測量的流體即在此管子中流動，一障礙件置于該管子內的流體中，從而當流體碰到所述障礙件時就會產生渦流，該渦流振蕩地從該障礙件分離。這種流量計還包括根據此振蕩確定流量的裝置。這些裝置通常位于該障礙件上。這種流量計測量流量的原理如下渦流的振蕩頻率與管子中的流體流速近似成正比，而上述裝置可檢測與所述渦流的振蕩對應的信號。該信號比方說可以是壓差。
渦流流量計的目的是精確、可靠地測量管子內流動的流體在很寬的雷諾數范圍內的流速或流量。
為此，Strouhal數(振蕩頻率和障礙件直徑的乘積與流體流速之比)必須不隨雷諾數(流體流速和管子直徑的乘積與流體的動力粘性系數之比)的變化而變化。
根據本領域的新近研究成果，設計出了障礙件的形狀和尺寸最佳、從而在比方說約為260000的高雷諾數下可進行完全令人滿意的測量的渦流流量計。
專利申請EP-A-0408355敘述了一種渦流流量計，它包括一供流體流動的管子，置于流體中的雙障礙件和測量所述雙障礙件所產生的渦流的分離頻率的裝置。
該雙障礙件包括其上游表面鼓起、下游表面為平面的細長形第一障礙件或上游障礙件以及與遠離第一障礙件、其上游表面為平面、下游表面凹入或為平面的第二障礙件或下游障礙件。
但在測量氣流時，這種流量計不適用于測量雷諾數小于146000、特別是小于33000的情況。
在高雷諾數下，障礙件側面處產生的剪切會分離而形成其流動呈紊流的渦流，其Strouhal數大致不變。
但在低雷諾數下，剪切層逐漸變?yōu)閷恿鲗樱瑴u流形成得更快，渦流的振蕩頻率比流體速度下降得更慢，Strouhal數迅速升高，從而給流量測量帶來誤差。
本發(fā)明旨在克服這些缺點，為此提供了一種在流體的低雷諾數和高雷諾數下Strouhal數都能大致不變的渦流流量計，從而提高所述流量計在變動范圍很大的雷諾數下的性能。
本發(fā)明涉及一種渦流流量計，它包括一供流體在其中流動、內徑D不變的管件；至少兩個障礙件，即置于所述管件內的流體中，產生振蕩主渦流的一上游障礙件和一下游障礙件，所述兩障礙件都大致呈細長形，其縱向和橫向都與流體流向垂直；以及檢測與所述渦流的振蕩對應的信號并從中導出流量的裝置，其特征在于，縱向尺寸h的該上游障礙件包括兩個與流體流向垂直而相距t的較大表面，該上游表面的橫向尺寸d大于該下游表面的橫向尺寸；以及兩個對稱的較小側面，這兩個側面與所述上游表面成β角；該下游障礙件分成互相連接成T形的兩部分，第一部分的縱向尺寸為h、橫向尺寸為l，它包括兩個平行的較大表面，即一與所述上游障礙件的下游表面平行且相距d1的上游表面和一下游表面；以及兩個較小表面；第二部分包括兩個大小相同、與流體流向平行的較大表面以及兩個大小相同、與流體流向垂直的較小表面。
當流體碰到上游障礙件時，所述上游障礙件的側面兩邊交替生成一剪切層，該剪切層在低速下逐漸成為層流層。
在流體的低雷諾數下，本發(fā)明渦流流量計擾動該剪切層而使離開上游障礙件的該剪切層變得不穩(wěn)定而卷成紊流旋渦，從而使Strouhal數大致保持不變。
按照本發(fā)明的其它特征比值d/t為4-8；角β為30°-70°；距離d1為d/4-3d/4；寬度l為0.8d-1.2d；比值d/D為0.15-0.3；下游障礙件第一部分的兩較大表面相距0.02d-0.08d；
該下游障礙件第一部分的兩較小表面互相平行；下游障礙件第二部分的兩較小表面的橫向尺寸為0.02d-0.08d；下游障礙件第二部分的兩較大表面的與流體流向平行的尺寸為0.8d-1.2d。
本發(fā)明渦流流量計最好還包括減少流體的邊界層部分在碰到上游障礙件時產生的馬蹄形穩(wěn)定渦流所造成的紊流效應的裝置。
減少由穩(wěn)定渦流造成的紊流效應的該裝置包括兩底板，每一底板都有至少一個較大表面與上游障礙件和下游障礙件的縱向垂直，所述兩底板在該管部上安裝成最大縱向厚度e正對流體的邊界層，所述上游障礙件和下游障礙件的兩相對縱向端之一固定在底板的較大表面上而使底板的一部分位于上游障礙件的上游。
兩底板的厚度e都為0.03D-0.05D。
每一底板的上游端離開上游障礙件的上游表面的距離為0.1d-0.4d。
按照本發(fā)明另一個非常有利的特征，該渦流流量計還包括把振蕩主渦流與流體的邊界層部分在碰到上游障礙件時產生的穩(wěn)定的二次渦流分開的裝置。
把振蕩主渦流與二次渦流分開的裝置由在下游障礙件的第二部分的相距不到h的兩縱向端處的所述第二部分與內徑為D的管部之間的兩通道或自由空間構成。
每一自由空間的最大縱向尺寸為D/40-D/20。
內徑為D的該管部的上游端最好與上游管部連接，該上游管部的內徑向上游方向逐漸增大到D1，其內壁與流體流向所成角度連續(xù)變化，所述角度在所述上游管部的內徑分別等于D和D1處為零；而內徑為D的該管部的下游端最好與一下游管部連接，該下游管部的內壁以與流體流向成9°-20°的不變交角α發(fā)散，從而內徑從D變?yōu)镈1。
直徑D為直徑D1的60％-90％。
內徑為D的該管部的長度為所述內徑D的1.5-3倍。
上游障礙件的上游表面離開該上游管部的距離為0.5D1-D1。
按照本發(fā)明的其它特征檢測與渦流的振蕩對應的信號，從而從中導出流量的裝置包括一置于內徑為D的管部中，在該下游障礙件的下游流體中的板，所述板的與流體流向垂直的縱向尺寸為D，它的由與流體流向平行的兩較大側面和上游以及下游較小表面界定的橫截面呈長方形；在所述板中靠近所述上游表面的兩平行的縱向主通道，每一主通道通過若干均勻分布的垂直副通道與所述兩側面之一相通；以及一與主通道和一電路連接的傳感器，從而從檢測到的信號中導出流量；該板的上游表面的橫向尺寸為上游障礙件的上游表面的橫向尺寸的0.1-0.4倍；該板的上游表面離開上游障礙件的上游表面的距離為3d-7d；該兩主通道的直徑稍小于該板的上游表面的橫向尺寸且所述兩主通道沿流體流向錯開；該傳感器為壓力傳感器或溫度傳感器。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點可從下述結合附圖對非限制性實施例的說明中看出，附圖中
圖1為本發(fā)明渦流式氣體流量計第一實施例在一通過該管的對稱軸線的平面中的剖面圖；圖2為圖1所示流量計在一通過該管的對稱軸線、但與圖1平面垂直的平面中的剖面圖；圖3為圖1和2所示渦流式氣體流量計的板10的放大立體圖；圖4為本發(fā)明第二實施例的一局部立體示意圖，示出圖1到圖3所示渦流式氣體流量計裝有減小部分流體在碰到上游障礙件時生成的穩(wěn)定渦流所造成的紊流效應的裝置；圖5為圖4所示本發(fā)明裝置在一與圖1平面平行的平面中的剖面圖；圖6為圖4和圖5所示本發(fā)明裝置在一與該管的對稱軸線垂直的平面中的剖面圖；圖7為本發(fā)明第三實施例在一通過該管的對稱軸線的平面中的剖面圖，示出圖1至圖3所示渦流式氣體流量計裝有把振蕩渦流與穩(wěn)定渦流分開的裝置；圖8為本發(fā)明第四實施例的局部立體示意圖，示出圖1到圖3所示渦流式流量計分別裝有圖1和圖7所示裝置；圖9為本發(fā)明第五實施例在一通過該管的對稱軸線的平面中的剖面圖，示出圖1到圖3所示渦流式氣體流量計位于一異形管中；
圖10為本發(fā)明第六實施例在一通過該管的對稱軸線、但與圖9平面垂直的平面中的剖面圖，示出圖9所示渦流式氣體流量計分別裝有圖4和圖7所示裝置；圖11為一渦流式氣體流量計在一通過管子的對稱軸線的平面中的剖面圖，該流量計包括一位于類似于圖9的異形管中的障礙件；圖12為圖11所示渦流式氣體流量計的障礙件的立體示意圖；圖13分別示出圖11和12渦流式氣體流量計的標準曲線圖(A)和圖10渦流式氣體流量計的標準曲線圖(B)；圖14分別示出圖8渦流式氣體流量計的標準曲線圖(C)和圖10渦流式氣體流量計的標準曲線圖(D)；圖15為根據檢測到的壓差確定氣體流量的電路簡圖；圖16示出圖15電路中的峰值檢波器；圖17示出圖16峰值檢波器對一峰值進行峰值檢波；圖18分別例示出圖16峰值檢波器的輸入和輸出信號。
如圖1到圖10所示，本發(fā)明渦流流量計1為一氣體流量計。
這種流量計包括一管部2，流量待測的氣體在該管部2中流動。
如圖1和2所示，該管部2有一不變的內徑D。
本發(fā)明渦流式氣體流量計還包括兩障礙件4和6，即置于管部2中的氣流中的上游障礙件4和下游障礙件6。該氣體流量計可包括兩個以上的障礙件。
每一障礙件在與氣流流向垂直的縱向上呈細長形，其橫向或寬度方向也與氣流流向垂直。
如圖1所示，這兩個障礙件的縱向橫截面都大致不變。該橫截面位于一與氣流流向平行且與障礙件縱向垂直的平面中。
上游障礙件4的縱向尺寸或高度h等于D，它有兩個都與氣流流向垂直、相距t的較大表面4a和4b。較大表面4a稱為上游表面，其橫向尺寸為d；另一個較大表面4b稱為下游表面，其橫向尺寸小于d。
比值d/t最好為4-8，比方說等于5.5。
上游障礙件4還有兩個對稱于一與氣流流向平行而與圖1平面垂直的中間平面的較小側面4c和4d。
表面4c和4d都與上游表面4a成角β。該角β為30°-70°，比方說取58°。
因此上游障礙件的橫截面呈梯形，梯形的底邊位于上游一側。
非常重要的一點是，角β應盡可能小，以便一方面使上游障礙件的上游表面4a的邊盡可能尖銳而交替生成氣流剪切層，另一方面使得該邊具有足夠的機械強度，剪切層然后分離而形成振蕩渦流。
若角β和距離t太大，則剪切層會附著在上游障礙件的側面4c和4d上而阻礙剪切層的進一步生成從而阻礙渦流的生成。
另一方面，若β小于30°，則該障礙件太薄而其機械強度不足以承受氣流。
下游障礙件6分為二部分。第一部分7的縱向尺寸h等于D，它有兩個相同橫向尺寸l的較大平行表面7a和7b。上游表面7a與上游障礙件4的下游表面4b平行且相距d1，從而兩障礙件之間形成一過渡空間。
下游表面7b與上游表面7a相距0.02d-0.08d，比方說取0.06d。與氣流流向平行的兩較小平行側面7c和7d使得該下游障礙件的第一部分的橫截面呈長方形。
在未示出的本發(fā)明另一實施例中，此兩較小側面7c和7d與該上游表面7a成同一角度。該角度為30°-70°而使下游障礙件6的第一部分7呈梯形。此時下游障礙件6的第一部分與上游障礙件4的形狀不必完全相同。
下游障礙件的第二部分8的縱向尺寸h等于D，它有兩個大小相同、與氣流流向平行的較大平行表面8a和8b。
下游障礙件6第二部分8的兩個平行的較小表面8c與8d與流體流向垂直而使該下游障礙件的所述第二部分的橫截面呈長方形。這兩個較小表面8c和8d的橫向尺寸為0.02d-0.08d，比方說取0.06d。
若該橫向尺寸小于0.02d，則下游障礙件6的第二部分的剛性不足。較大表面8a和8b與氣流流向平行的尺寸(長度)b為0.8-1.2d，比方說取d。
上述兩部分7和8裝配成使得下游障礙件6的橫截面呈T形。
剪切層在上游障礙件4的一尖邊處形成、分離后在下游障礙件6的下游卷繞成渦流。
在剪切層在上游障礙件4的側面4c上形成的同時，氣流從所述上游障礙件的另一側即從側面4d被吸入兩障礙件4和6之間的過渡空間而在該渦流形成后從形成該剪切層的一邊排出。
在下游障礙件6的第一部分7的緊下游正對所述下游障礙件的第二部分8的較大表面8a和8b處氣流出現不穩(wěn)定運動。
該運動相當于環(huán)流現象而破壞該剪切層的層流結構而使它不穩(wěn)定而出現紊流。
因此至關重要的是精心選擇兩障礙件4和6之間的距離d1而使氣流被吸入該過渡空間的現象與環(huán)流現象同時充分地出現。
因此兩障礙件間的距離d1必須為d/4-3d/4。若該距離大于3d/4，則過渡空間會形成渦流，但渦流的形成會受下游障礙件6的干擾。
另一方面，若該距離小于d/4，則氣流無法吸入過渡空間而發(fā)揮不出使用兩個障礙件的優(yōu)點，從而環(huán)流現象無從起作用。
同樣，為了防止在較小側面7c和7d處出現不必要的環(huán)流，下游障礙件6第一部分的表面7a和7b相距不得大于0.08d；而為了防止氣流正對所述下游障礙件6第二部分8的較大表面8a和8b的不穩(wěn)定運動的振幅的減小，下游障礙件6第二部分8的橫向尺寸不得大于0.08d。
申請人發(fā)現，若上游處出現的擾動沿氣流向這兩個障礙物傳播，則(如熟悉本技術領域的人員可想到的)該擾動不會增大，而是受環(huán)流現象的控制。
如圖1到圖3所示，該渦流或氣體流量計還包括檢測與渦流振蕩對應的信號并從中導出氣體流量的裝置10。從檢測到的渦流振蕩信號中直接導出氣體流速的方法是公知的。
這些裝置包括一置于管部2的氣流中的板10。該板10的與氣流流向垂直的縱向尺寸D即是其高度。該板10包括兩個與氣流流向平行的較大平行側面10a和10b以及兩個與所述較大側面垂直的較小平行表面10c和10d即上游表面10c和下游表面10d。如圖1和3所示，這些表面使得板10的橫截面沿高度方向呈不變的長方形。
該板10、特別是橫向尺寸為0.1d-0.4d、比方說為0.2d的上游表面10c構成一具有兩尖邊的障礙件，從而使碰到所述上游表面10c(又稱前導邊緣)時氣流分開，從而在所述板10的側面10a和10b處交替造成紊流區(qū)。
這一紊流區(qū)的形成有助于提高由渦流提供的信息的質量。
該板的上游表面10c離開上游障礙件4的上游表面4a的距離最好為3d-7d，以便最佳地重現渦流振蕩信號。
申請人意外發(fā)現，當渦流碰到板10時會產生一向上游傳播的聲波而干擾剪切層的結構，從而在低氣流流速下增強渦流的紊亂性。
板10中在靠近上游表面10c處有兩個平行的縱向主通道12和14。通道12和14從板10的頂部伸入板中的距離小于所述板的高度D。若干副通道12a、12b、12c和14a、14b、14c相間地分布在主通道12和14的縱向上而使所述兩主通道分別垂直地通向板10的側面10a和10b中的僅一個側面。
例如，主通道12(14)用直徑與主通道大致相同的三個副通道12a、12b、12c(14a、14b、14c)通向板10的僅一個側面10a(10b)。這兩個主通道12、14用一軟管通向一溫度傳感器(未畫出)，從而比方說根據渦流振蕩在兩通道中造成的壓差檢測氣流的流量。該傳感器也可以是壓力傳感器。
圖15為一電子電路的簡化方框圖，該電子電路收到傳感器201測到的壓差信號后，接著通過放大裝置202把一交流信號輸入峰值檢波器203，所述峰值檢波器把該交流信號轉換成脈沖信號，每一脈沖代表單位氣流流量，然后用一計數器204對脈沖數計數而得出氣體流量。
如圖16所示，峰值檢波器203比方說包括一帶有電阻211和電容212的放大器210、一由并聯反接的兩個兩個二極管構成的閾限裝置213，一具有記憶功能的電容器214、一差動放大器215和電阻216、217。二極管220、221可以是一場效晶體管的結點。
放大器210、電阻211和電容212把該信號隔離在電容214的輸入端。每一二極管有其自身的閾值，在導通時有一電壓降。當點218處的信號的振幅上升到大于二極管220的閾值時，該二極管導通而點218處小于二極管220的電壓降的電壓存入電容器214。差動放大器215對點218的電壓與電容214上的電壓進行比較，若點218的電壓大于電容214上的電壓就輸出一高信號。
當達到一峰值且信號振幅下降時，點218處的信號值與電容器214所存儲的信號值之差下降到小于二極管220閾值從而二極管220切斷。這使存儲在電容214中的信號值得以不變。當點218處的信號的振幅下降到小于電容14所存儲的信號值時，放大器215輸出一低信號表示已出現峰值。當該信號值下降到存儲在電容214中的信號值之下的數量等于二極管221的閾值時，二極管221導通而存儲在電容214中的信號值下降，同時點218處的信號值的減少量等于二極管221的電壓降。當達到并通過峰值時，二極管221再次切斷，而當點218處的信號上升到大于存儲在電容214中的信號值時放大器215示出狀態(tài)變換。
圖17示出點218處第一信號的電壓變動(曲線250)和電容電壓的變動(曲線251)。電容電壓251最初等于信號電壓減去二極管220的電壓降Vd，此時放大器215輸出一高信號。當在時刻t0達到一峰值而信號電壓250下降到二極管220的閾值以下時，電容電壓251固定。在時刻t1信號電壓250下降到小于存儲在電容中的電壓251，此時放大器215輸出一低信號。在時刻t2信號電壓250與存儲在電容中的電壓之差大于二極管221的閾值，從而電容電壓跟蹤第一信號的電壓。
圖18示出圖16電路的輸出信號與一典型輸入信號的比較，該輸入信號可視作一高頻正弦信號，一小振幅噪聲疊加在大振幅上而使該信號振幅的很大變動。盡管有這些變動，輸入信號在每一正峰值240或負峰值241處的方向改變仍表示輸出信號方向的改變。計數器204可使用該輸出信號給出脈沖數從而得出氣體流量。從兩脈沖間隔時間也很容易算出氣體流速值。
主通道12、14的直徑稍小于板120的寬度且所述兩通道在氣體流向上錯開。兩通道盡可能靠近所述板10的前面10c，以便盡可能高質量地重現信號的信息。
由于有粘力作用在氣體上從而提高了信噪比，因此所述通道還可過濾掉信號中的所有噪聲。
為了提高由板10和傳感器重現的信息的質量，下游障礙件6第一部分7的上游表面7a的橫向尺寸l必須為0.8d-1.2d，例如取d。
若該尺寸大于1.2d，板10幾乎無法重現信號。另一方面，若該尺寸小于0.8d，板10重現的信號中誤差很大。
在本發(fā)明另一實施例(未示出)中，檢測渦流振蕩信號并從中導出氣體流量的裝置包括兩個位于兩障礙件4、6下游、裝在管部2的沿直徑相對的壁上面的超聲波傳感器(在該實施例中無需使用上述板件)。傳感器之一輸出一超聲波信號，該信號由渦流振蕩調制后由另一個傳感器接收并解調，從而導出振蕩頻率并從而得出氣體的流速和流量。
申請人發(fā)現，用本發(fā)明渦流式氣體流量計獲得的振蕩頻率此只用一個障礙件的流量計低。
氣流在緊靠上游障礙件4上游的速度型并非十分平直(見圖4)，而是在靠近管部2周邊處有一邊界層。當圖4左部所示氣流碰到上游障礙件4時，所述上游障礙件4的兩邊交替形成一剪切層而在下游障礙件6的下游形成主渦流20。
但是，氣流的邊界層碰到障礙件4時形成一穩(wěn)定的二次渦流21。該渦流形成在上游障礙件4的兩縱向端4e和4f的每一端處而干擾主渦流20的形成。圖4只示出一個渦流。
在圖4到圖6所示本發(fā)明第二實施例中，該渦流式氣體流量計包括減小由二次渦流21造成的紊流效應的裝置22、23、24、25。
這些裝置采用兩塊平行底板22、24，每一底板有至少一個較大表面22a、24a與上游障礙件4和下游障礙件6的縱向垂直。每一底板22、24都呈具有一定厚度或縱向尺寸的圓盤形，其直徑大于上游障礙件4的橫向尺寸d(見圖5)。這兩個底板22、24裝在內徑為D的管部2的內壁上沿直徑相對的兩點上，從而底板22的較大表面之一22a面向所述管部內部并正對另一底板24的較大表面之一24a。
如圖6所示，每一底板22、24的一部分位于管部2中，因此該底板的比所述底板總厚度小的最大厚度部分e突起在所述管部2之內。該厚度e為0.03D-0.05D，以使這些底板的突起部正對氣流的邊界層。若厚度e小于0.03D，則由二次渦流21造成的紊流效應不能充分地減小。另一方面，若該厚度大于0.05D，氣流就會受到底板22、24的突起部的阻擋而干擾主渦流的形成。
上游障礙件4和下游障礙件6的相對縱向端4e、4f、6e和6f之一固定在底板22、24的較大表面22a、24a上。
如圖5所示，上游障礙件4安裝在下部底板22上，使每一底板22、24在上游障礙件4的上游留出一部分23、25。
那么氣流的邊界層在碰到上游障礙件4前首先碰到下部底板22的底板部分23，其作用是削弱在碰到所述上游障礙件4時所形成的穩(wěn)定二次渦流21。從而減小二次渦流21與主渦流20的相互影響。上部底板24處自然也出現同樣的情況。
每一底板部分的上游端23a、25a離開上游障礙件4的上游表面4a的距離為0.1d-0.4d，例如可取0.35d。若該距離大于0.4d，二次渦流21雖遭削弱，但會重新形成并大到足以干擾主渦流20。在此實施例中，下游障礙件6的第一部分7大致安裝在該底板的與氣流流向垂直的最大直徑處。這意味著，下游障礙件6第二部分8的一部分長度突出到底板之外的下游處(見圖5)。
申請人發(fā)現，在某些情況下最好不管二次渦流21的生成，而是在上游障礙件4的下游處用裝置30、32把所述二次渦流與主渦流分開。
在圖7所示本發(fā)明第三實施例中，這些裝置即為管部2中沿直徑相對的兩通道30、32。通道30、32分別形成在下游障礙件6第二部分8的縱向端8e、8f與管部2之間。在這種優(yōu)選結構中，下游障礙件6第二部分8的縱向尺寸或高度小于所述障礙件第一部分7的縱向尺寸h。
當氣流邊界層碰到上游障礙件4時，在所述上游障礙件的相對兩縱向端4e和4f處形成強大的二次渦流沿主渦流方向傳播。但是，所形成的主渦流造成一壓力降把朝向下游障礙件6的第二部分8的二次渦流導向下部通道30和上部通道32，從而防止所述二次渦流與所述主渦流相互作用而干擾對信號的檢測，通道30、32都大致呈長方形，其縱向尺寸為D/40-D/20，例如取D/36。
若通道30、32的縱向尺寸大于D/20，正對下游障礙件第二部分8的較大表面8a、8b處的環(huán)流現象就會受到阻礙而影響主渦流的生成。
另一方面，若該縱向尺寸小于D/40，則作用壓力降對二次渦流的不利從而二次渦流與主渦流之間的相互作用太強。
在圖8所示本發(fā)明第四實施例中，組合使用了結合圖4到圖6所述的減小由二次渦流21造成的紊流效應的裝置22、24以及結合圖7所述的把所述二次渦流21與主渦流20分離的裝置30、32。
組合使用這些裝置可大大降低二次渦流21與主渦流20之間的相互作用。
圖9示出本發(fā)明第五實施例，在下面說明中使用與前面附圖中相同的標號。該渦流流量計包括兩障礙件4和6以及板10，板10中的縱向通道12、14以上面描述的方式連接到一傳感器。
在該實施例中，其中放置兩障礙件4、6和板10的直徑為D的管部2的上游端與一上游管部40連接，該上游管部40的內徑向著上游方向逐漸增大到主管的直徑D1。該上游管部40的內壁40a與氣流方向所成角度連續(xù)變化，所述角度在所述內壁與內徑為D的管部2的交界處為零，在變動上游管部40的內徑等于D1處該角度仍為零。
這種結構有一個極大的優(yōu)點，即流量計上游的氣流平穩(wěn)地進入所述流量計而不會因產生紊流而受到干擾，從而氣流在內徑為D的管部2中加速，結果氣流速度型更接近紊流狀態(tài)，穩(wěn)定性更佳。
因此，在低雷諾數下，在上游障礙件處形成的氣流的剪切層的性質不再是層流。
如圖9所示，上游管部40的內壁40a在一與氣流方向平行的平面中的局部廓線從上游到下游為兩個相接的圓弧，其凸起邊背對而匯合到一點。請注意兩圓弧的半徑不必相同(盡管在圖9中它們的半徑相同)。該廓線也可以是正弦曲線的一部分，但本文中未示出這種實施例。
管部2的直徑D減小到為主管直徑D1的60％-90％。若D小于D1的60％，壓頭損耗太大，振蕩頻率太高，無法用簡單裝置檢測。
另一方面，若D大于D1的90％，則氣流加速得不夠。
直徑D最好為初始D1的70％-80％，例如取72％D1。內徑為D的管部2的長度為所述內徑D的1.5-3倍，例如取2D。這樣可為振蕩渦流的形成留有足夠的余地，同時又使該氣體流量計顯得緊湊。
在內徑為D的管部2中，上游障礙件4靠近上游管部40，以便在下游留出足夠余地形成振蕩渦流。更確切地說，上游障礙件4的上游表面4a離開上游管部40的距離為0.5D1-D1。
若該距離小于0.5D1，則達到上游障礙件4的氣流的流速速度型尚不穩(wěn)定。
相反，若該距離大于D1，氣流的流速流型會生成一邊界層而造成強大的二次渦流，從而干擾(主)振蕩渦流，并且該氣流流量計不緊湊。
內徑為D的管部2與一內壁42a連接，該內壁與氣流流向相交成一不變角α。兩管部2和42在一尖棱43處相接。
下游管部42的內壁42a呈截頭圓錐形而從尖棱43伸展到直徑為D1的主管。
由于該管在其中生成振蕩渦流的直管部2之后以一定角度急劇膨脹，因此氣體流速減小，壓力增大。
申請人發(fā)現，本發(fā)明的這一特征造成氣流在尖棱43處及其下游處擴散，從而在管部2的出口處造成一氣壓墊壘。
該氣壓墊壘的作用是把氣體渦流限制在管部2中，從而保持所述渦流的大小不變，從而Strouhal數保持不變，特別是在低雷諾數下Strouhal數保持不變，從而振蕩頻率直接與氣流流速成正比。下游管部42的膨脹角必須精心選擇，以使氣壓保持一適當的值。角α一般為9°-20°，最好為10°-15°，例如取10.78°。膨脹角大于20°會造成氣體環(huán)流過強，從而引起的氣流流速的變動會增大其紊流性，從而無法形成有效的氣壓勢壘而保持渦流的大小不變。若膨脹角小于9°，則氣壓會沿著下游管部42逐漸增大而不足以控制渦流的大小。
本發(fā)明的第六實施例可非常有利地把圖9所示渦流式氣體流量計與圖8所示流量計的特征結合起來，這就是圖10所示的渦流式氣體流量計，其中，上游障礙件4和下游障礙件6的相對縱向端4e、4f、6e和6f裝到局部置入在直管部2中的兩底板22、24上，從而減小氣流碰到上游障礙件4時生成的穩(wěn)定二次渦流所造成的紊流效應。
下游障礙件6的第二部分8的縱向尺寸小于第一部分7的縱向尺寸，從而在下游障礙件6的第二部分8與內徑為D的管部2之間形成一下部通道30和一上部通道32，這些大致為長方形的通道使得主渦流與二次渦流相分離。
內徑為D的管部2中在兩障礙件的下游有一板10，板中有與一傳感器(未畫出)、比方說一溫度傳感器連接的縱向通道12、14，從而檢測主渦流的振蕩信號。
如前所述，該傳感器接至圖15和16所示電路，從而從檢測到的壓差中導出氣體流量。
管部2的上游端接至一上游管部40，該管部40的形狀做成可加速氣流又不干擾氣流；管部2的下游端接至一下游管部42，該管部42的內部形狀呈截頭圓錐形，該管部42以其尖棱43與所述管部2相接，該管部42的作用是形成一氣壓升而把主渦流限制在該直管部中。
這種氣體流量計可測量雷諾數低達3700的氣流的流量，其動態(tài)范圍為30∶1，相對精度為1％。
雷諾數為直徑為D1的該管中的氣流的一項指標。
為了顯示本發(fā)明渦流流量計的優(yōu)點，申請人進行了試驗，其結果在圖13和14中示出。
第一項試驗相繼在兩臺渦流式氣體流量計上進行，第一臺由圖11和12示出，第二臺由圖10示出。兩管的直徑D1都等于100mm。圖11和12流量計與圖10流量計的不同之處在于它只有一個尺寸可變的障礙件產生振蕩渦流，檢測所述渦流的振蕩信號并從中導出氣體流量的裝置即裝在所述障礙件上。
除了上述不同之處，其它方面如異型管、障礙件在管中的位置、底板及其相對于所述管和所述障礙件的位置均與上述相同而不再贅述。
圖11和圖12中各部件用上述附圖對應部件的標號加100表示。
渦流式氣體流量計101有一其中設置有一障礙件104的管部102。該障礙件104有相互平行的上游平面104a和下游平面104b，所述上游平面104a比所述下游平面104b大。這兩個平面都與氣流流向垂直。
該障礙件104還有兩個與上游平面104a相交成一不變角β的對稱側面104c和104d，從而所述障礙件的橫截面呈梯形，其底邊在上游一側。
從圖11和12中可見，檢測渦流振蕩信號并從中導出氣體流量的裝置包括障礙件104中靠近所述障礙件的側面104c和104d的兩平行的縱向主通道112和114。這兩個通道112和114對稱于一通過該管的對稱軸線的中間平面并與該障礙件104的橫截面垂直。上述裝置還包括與所述主通道垂直的均勻分布在每個主通道102和104的縱向上的若干副通道，比方說每一主通道有兩個副通道(112a、112b、114a、114b)。這些副通道使主通道通到障礙件104的側面104c和104d。副通道的直徑與主通道大致相同。一主通道112和114與一傳感器(未畫出)、比方說一溫度傳感器相連，從而檢測所述主通道中由渦流的分離引起的氣流的壓差。
圖15和16所示電路從檢測到的上述壓差導出氣流流量。
障礙件104裝在兩圓形底板122和124上，圖11和圖12中只示出下部底板122。
障礙件104的上游平面104a離開底板122(124)的位于所述上游平面104a上游的部分123(125)的上游端123a(125a)的距離為0.35d。障礙件104兩側面104c和104d與所述障礙件的上游平面104a之間的交角β為4°。
對這兩臺流量計進行試驗的目的是對流量為20m3/h-600m3/h(雷諾數3700-111900)的流體，確定所述兩臺流量計所檢測的流量相對于一標準流量計的相對誤差。
圖13示出這兩臺流量計的隨雷諾數變化的相對誤差百分比，曲線A和B分別為圖11和圖10的流量計的標準曲線。
顯然可看出，圖10氣體流量計(雙障礙件)能可靠地測量低雷諾數(低達3700)的氣體的流量，而圖11流量計(單障礙件)無法可靠地測量雷諾數低于16500的氣體的流量。
圖14示出另一項同樣的試驗的結果，它在于比較本發(fā)明的兩種氣體流量計，即圖8所示流量計與圖10所示流量計。
圖8和圖10流量計的標準曲線C和D是令人滿意的，所述兩種流量計具有良好的線性特性。
但申請人發(fā)現，若雷諾數低于18600，影響圖8流量計的噪聲對于渦流振蕩信號來說太高。
另一方面，把雙障礙件置于異型管中對于低于18600的雷諾數的流體可大大提高信噪比，從而使用簡單電子裝置便能從檢測到的信號中導出氣體流量。
因此結合圖10所述的本發(fā)明實施例具有極大的優(yōu)點，因為即使對于極低的雷諾數(3700左右)的情況，它也能產生非常強且穩(wěn)定的信號，從而總可以測出氣流流量。
權利要求
1.一種渦流流量計(1)，包括流體在其中流動、具有不變內徑D的一管部(2)；置于所述管部(2)的流體中、用來產生振蕩的流體主渦流(10)的至少兩個障礙件，即一上游障礙件(4)和一下游障礙件(6)，所述兩障礙件(4，6)都呈細長形，其縱向和橫向與流體流向垂直；以及檢測和所述渦流的振蕩對應的信號并從中導出流體流量的裝置(10，12，14，200-221)，其特征在于，縱向尺寸為h的上游障礙件(4)包括與流體流向垂直、相距t的較大表面(4a，4b)，上游表面(4a)橫向尺寸為d大于下游表面(4b)的橫向尺寸；以及與所述上游表面都相交成角β的對稱的兩較小側面(4c，4d)；該下游的障礙件(6)分為連接成T形的兩部分(7，8)，第一部分(7)的縱向尺寸為h、橫向尺寸為l，它包括兩平行的較大表面(7a，7b)即與所述上游障礙件(4)的下游表面(4b)平行且相距為d1的上游表面(7a)和下游表面(7b)，以及兩較小表面(7c，7d)，第二部分(8)包括尺寸相同、與流體流向平行的兩較大表面(8a，8b)以及尺寸相同、與流體流向垂直的兩平行的較小表面(8c，8d)。
2.按權利要求1所述的渦流流量計，其特征在于，比值d/t為4-8。
3.按權利要求1或2所述的渦流流量計，其特征在于，角β為30°-70° 。
4.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，距離d1為d/4-3d/4。
5.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，寬度l為0.8d-1.2d。
6.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，比值d/D為0.15-0.3。
7.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，下游障礙件(6)的第一部分(7)的兩較大表面(7a，7b)相距0.02d-0.08d。
8.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，下游障礙件(6)的第一部分(7)的兩較小表面(7c，7d)相互平行。
9.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，下游障礙件(6)第二部分(8)的兩較小表面(8c，8d)的橫向尺寸為0.02d-0.08d。
10.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，下游障礙件(6)的第二部分(8)的兩較大表面(8a，8b)與流體流向平行的尺寸為0.8d-1.2d。
11.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，它還包括用于減小流體的邊界層部分在碰到上游障礙件(4)時產生的穩(wěn)定渦流(21)所造成的紊流效應的裝置(22，23，24，25)。
12.按權利要求11所述的渦流流量計，其特征在于，用于減小由穩(wěn)定渦流(21)造成的紊流效應的該裝置包括兩底板(22，24)，每一底板上有至少一個較大表面與上游障礙件(4)和下游障礙件(6)的縱向垂直；所述兩底板在該管部(2)上安裝成其最大縱向尺寸或厚度e正對流體的邊界層；所述上游障礙件(4)和下游障礙件(6)的相對縱向端(4e，4f，6e，6f)之一固定在底板(22，24)的較大表面(22a，24a)上，固定方法是，使每一底板包括一位于該上游障礙件(4)的上游處的部分(23，25)。
13.按權利要求12所述的渦流流量計，其特征在于，每一底板(22，24)的最大存度e為0.03D-0.05D。
14.按權利要求12所述的渦流流量計，其特征在于，每一底板部分(23，25)的上游端(23a，25a)與上游障礙件(4)的上游表面(4a)相距0.1d-0.4d。
15.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，它還包括把主振蕩渦流(20)與流體的邊界層部分在碰到上游障礙件(4)時生成的穩(wěn)定二次渦流分開的裝置(30，32)。
16.按權利要求15所述的渦流流量計，其特征在于，把振蕩主渦流(20)和二次渦流(21)分開的該裝置由下游障礙件(6)的第二部分(8)的兩相距不到h的相對縱向端(8e，8f)處的部分與內徑為D的管部(2)之間的兩通道(30，32)構成。
17.按權利要求16所述的渦流流量計，其特征在于，兩通道(30，32)的最大縱向尺寸為D/40-D/20。
18.按權利要求1至17中任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，內徑為D的管部(2)的上游端與一上游管部(40)連接，該管部(40)的內徑沿著上游方向逐漸增大到D1，其內壁(40a)與流體流向的夾角連續(xù)變化，所述夾角在該管子中所述上游管部的直徑等于D和D1的部位均為零，而管部(2)的下游端與一下游管部(42)連接，該管部(40)的內壁(42a)以與流體流向成9°-20°的不變角度α急劇發(fā)散，從而內徑從D變?yōu)橹睆紻1。
19.按權利要求18所述的渦流流量計，其特征在于，直徑D為直徑D1的60％-90％。
20.按權利要求18所述的渦流流量計，其特征在于，內徑為D的管部(2)的長度為內徑D的1.5-3倍。
21.按權利要求1和18所述的渦流流量計，其特征在于，上游障礙件(4)的上游表面(4a)與上游管部(40)相距0.5D1到D1。
22.按上述任一權利要求所述的渦流流量計，其特征在于，檢測渦流振蕩信號并從中導出流體流量的裝置包括一置于內徑為D的管部(2)中、在下游障礙件(6)的下游處的流體中的板(10)，所述板的縱向尺寸D與流體流向垂直，它的與流體流向平行的較大側面(10a，10b)和較小上游和下游表面(10c，10d)界定一不變的長方形橫截面；所述板在靠近所述上游表面(10c)處有兩個平行的縱向主通道(12，14)，每一主通道由若干均勻分布的垂直副通道(12a，12b，12c，14a，14b，14c)只連接到所述側面(10a，10b)之一；一傳感器與所述兩個主通道以及一電路(202-221)連接以從檢測到的信號中導出流體流量。
23.按權利要求22所述的渦流流量計，其特征在于，板(10)的上游表面(10c)的橫向尺寸為上游障礙件(4)的上游表面(4a)的橫向尺寸d的0.1-0.4倍。
24.按權利要求22所述的渦流流量計，其特征在于，板(10)的上游表面(10c)與上游障礙件(4)的上游表面(4a)相距3d-7d。
25.按權利要求22和23所述的渦流流量計，其特征在于，主通道(12，14)的直徑稍小于板(10)的上游表面(10c)的橫向尺寸，所述兩主通道沿流體流向錯開。
26.按權利要求22所述的渦流流量計，其特征在于，該傳感器為一壓力傳感器。
27.按權利要求22所述的渦流流量計，其特征在于，該傳感器為一溫度傳感器。
全文摘要
一種渦流流量計(1)，包括流體在其中流動的一內徑不變的管部(2)；位于所述管部(2)的流體中用來產生振蕩渦流的至少兩障礙件，它們都呈細長形，其縱向和橫向均與流體流向垂直，該上游障礙件(4)的橫向截面呈梯形，而下游障礙件(6)的橫向截面呈T形；以及檢測所述渦流的振蕩信號并從中導出流體流量或流速的裝置(10，12，14)。
文檔編號G01F1/32GK1146807SQ95192698
公開日1997年4月2日 申請日期1995年3月20日 優(yōu)先權日1994年3月23日
發(fā)明者巴巴拉·吉林斯卡, 索德·吉奇考特 申請人:施藍姆伯格工業(yè)公司
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
