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1、现代仪器概论第十讲 案例分析：涡街流量计,仪器科学与工程系专业必修课 主讲： 宋开臣 教授 13600513662,涡街流量计讲座内容,一. 涡街流量计工作原理 二. 涡街信号的检测方法 三. 信号处理及电路设计 四. 气体质量流量检测 五. 流量监测网络,一. 涡街流量计工作原理,1、流量计简介 2、卡曼涡街现象 3、漩涡发生体 4、涡街流量计的组成,1、流量计简介,流量是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。当流体量以体积表示时称为体积流量，单位是m3/s；当流体量以质量表示时称为质量流量，单位是kg/s。 流过通道内流体的总量称为累计流量，常用体积累计流量m3和
2、质量累计流量kg。 进行流量测量的仪表统称为流量计。流体是多样化的，如气体、液体、混合流体；还有流体的温度、压力、流量均有较大的差异，再者测量准确度要求也各不相同。因此，导致了流量计的多样性，流量计量也是最复杂的一种。,1、流量计简介,标准孔板流量计,1、流量计简介,均速管流量计 （国外称Annubar、Torbar、Probar、verabar等）,1、流量计简介,V型锥流量计(塔型流量计),1、流量计简介,弯管流量计,1、流量计简介,旋翼式流量计,1、流量计简介,旋进漩涡流量计,2、卡曼涡街现象,卡曼涡街（卡门涡街） (Karman vortex street) 流体横向流过柱体时，在柱体
3、背面的两侧交替产生旋涡，且在脱离后形成旋涡尾流的现象。,2、卡曼涡街现象,涡街流量计基本原理,2、卡曼涡街现象,雷诺数的定义：,3、漩涡发生体,漩涡发生体的形状,单钝体,双钝体和多钝体,3、漩涡发生体,三角发生体的形状,4、涡街流量计组成,日本横河涡街流量计的结构,1-表头组；2-三角柱；3-表体；4-联轴；5-压板；6-探头；7-密封垫；8-接头； 9-密封垫圈；10-螺栓；11-销；12-铭牌；13-圆螺母；14-支架；15-螺栓,4、涡街流量计组成,涡街流量计的实物图片,二. 涡街信号的检测方法,1、涡街信号的特点 2、压电式传感器,1、涡街信号的特点,涡街流场的等压曲线描述,1、涡街信
4、号的特点,不同雷诺数下的涡街流场的描述,2、压电式传感器,涡街流量计压电传感器外形,专利产品-传感器组件结构特点： 采用自减振差动测量原理设计 传感器置于表体内，坚固可靠 免冲击，抗脏污 可工作于高温高压环境 最高可在350，10MPa环境下工作,2、压电式传感器,2、压电式传感器,压电传感器输出的信号波形,带有敲击的传感器输出,2、压电式传感器,压电传感器输出信号频谱,三. 信号处理及电路设计,1、前置放大电路（电荷放大器） 2、滤波电路 3、限幅放大电路 4、整形电路（施密特触发器） 5、涡街信号处理实例,1、前置放大电路（电荷放大器）,电荷放大器,Vo=Q/CF,1、前置放大电路（电荷放
5、大器）,具有高输入阻抗的电荷放大器,2、滤波电路,低通滤波电路,二阶巴特沃斯低通,3、限幅放大电路,二极管限幅放大电路,4、整形电路（施密特触发器）,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,4、整形电路（施密特触发器）,用运放构成的施密特触发器,5、涡街信号处理实例,日本横河机电产品信号处理流程：,5、涡街信号处理实例,我们的最新产品信号处理流程：,其特点是： 1、SSP（频谱信号处理）技术 2、自适应噪声抑制和频谱自适应滤波技术 3、流量信号诊断功能 4、智能化、参数可设置，适合各种口径 5、水气两用 6、脉冲、420mA电流（Hart协议兼容）、RS4
6、85通讯可同时输出,5、涡街信号处理实例,自适应滤波前,自适应滤波后,自适应滤波技术（中等流量）,5、涡街信号处理实例,自适应滤波前,自适应滤波后,自适应滤波技术（小流量）,5、涡街信号处理实例,无自适应噪声抑制,自适应噪声抑制,自适应噪声抑制技术（无流量）,四. 气体质量流量检测,1、一体化气体流量计 2、温度和压力检测电路 3、质量流量计算（温压补偿）,1、一体化气体流量计,具有温度和压力补偿的气体流量计,1、一体化气体流量计,一体化气体流量计的组成,1、一体化气体流量计,具有温压补偿的流量计原理框图,1、一体化气体流量计,具有温压补偿一体化的流量计,温度测量的方法1： 热敏电阻PT100
7、，电桥放大，A/D转换,A/D,2、温度和压力检测电路,温度测量的方法2： 热敏电阻PT100，三线制电桥放大,2、温度和压力检测电路,思考：三线制电桥电路，消除引线电阻影响的原理。,温度测量的方法3： 热敏电阻PT100，四线制电桥放大,2、温度和压力检测电路,思考：四线制温度检测电路，消除引线电阻影响的原理。,气体压力传感器： 常用扩散硅压力传感器,2、温度和压力检测电路,压力测量的方法： 扩散硅压力传感器，四线或五线制电桥,2、温度和压力检测电路,液体流量计 体积+温度补偿 气体流量计 体积+温度补偿+压力补偿 例： 蒸汽计量 检测蒸汽质量流量 燃气表 计量燃气体积流量（压力恒定） 呼吸
8、计 监测临床病人呼吸次数,3、质量流量计算（温压补偿）,气态方程 M = k x P x V / T (理想气体) 实际应用时的非线性 多项式补偿 a3 x M3 + a2 x M2 + a1 x M + a0 变形： M x (M x (M x a3 + a2)+ a1)+ a0 基本运算：乘加（ax + b） 查表法补偿 用折线来逼近曲线 建转折点表,3、质量流量计算（温压补偿）,五. 流量监测网络,1、网络与远程抄表 2、 GPRS无线网络介绍 3、客户端数据管理,1. 网络与远程抄表,传统的煤气表，水表，电表，都是依靠人力上门抄录，问题多多 为节省人力，人们设计出多种远程自动抄表的方案
9、，主要的案例有： 电话线调制解调 电力线载波 GSM短信 GPRS/CDMA无线网络 无线电台 TCP/IP网络连接,短信抄表,每个单元安装数据集中器，收集电表数据 利用短信将汇总后的数据，通过GSM模块以短信形式传送到中心服务器 中心服务器接GSM短信模块，收集短信，分解出所需的数据，存入数据库。 短信的问题：易丢失、延迟不确定。,1. 网络与远程抄表,电台抄表,管道煤气、水厂，经常使用无线电台进行短距离数据传输。 无线电台的问题： 易受气候的影响 传输过程中会丢失、破坏数据 初始安装费用高，天线架设困难,1. 网络与远程抄表,远程抄表系统框图,1. 网络与远程抄表,GPRS 是Genera
10、l Packet Radio Service的英文缩写，中文译为通用分组无线业务，具体来讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，即以分组的“形式”进行数据传送。,2、 GPRS无线网络介绍,2、 GPRS无线网络介绍,GPRS网络数据传输原理,2、 GPRS无线网络介绍,GPRS网络数据传输终端设备,2、 GPRS无线网络介绍,优点： 传输稳定可靠，数据不易丢失。 即时传输，延时少。 缺点： 系统依赖运营商提供的数据服务质量,通过web服务器进行数据监测,为方便访问web子系统采用MS IIS作为web server，并采用asp作为编程语言。 采用session实现用户身份认证。,3、客户端数
11、据管理,监控中心系统软件由组态软件和中心监控与服务软件两个体系组成。 组态软件系统设置管网地图、流量计参数、用户帐号、告警设置等初始化信息。系统配置完成后运行中心监控软件，进行数据采集、分析以及告警处理等。 中心监控软件采用三层结构软件设计。可以在监控中心服务器本机或局域网中进行操作。,3、客户端数据管理,软件结构框图,3、客户端数据管理,操作系统： 数据库服务器采用Microsoft Windows Server 2000 SCADA实时数据服务器采用Microsoft Windows Server 2000 操作员站采用Windows 2000以上操作系统 编程环境采用Borland Delphi, 全开放式和模块化结构设计 数据库采用SQL Server 2000 系统应采用面向对象设计方法,3、客户端数据管理,3、客户端数据管理,用户管理,测点定义与数据集中器设置,3、客户端数据管理,历史记录查询,3、客户端数据管理,历史记录查询,3、客户端数据管理,数据统计和处理,3、客户端数据管理,生成数据报表,3、客户端数据管理,参考资料,涡街流量计姜仲霞等 中国石化出版社,