插入式超声涡街流量计
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Z V 60 1900 1.14 10 kg / (m s)
5 2
有较高的拉伸强度和较好的耐油、耐 溶剂和耐氧化性能，电气性能佳，加工工 艺性好，耐化学药品，吸水率低等优点。
3.3 超声换能器结构设计
匹配层的厚度的 / 4 是根据来确定的，但 是最新的研究表明，在考虑到加有匹配层 后探头频谱的变化，匹配层的厚度应该乘 以一个系数，在单层时其值为1.16 。可 以得出匹配层的厚度：
h / d 1.32
d / D 0.291
20
3.2 传感头结构设计
3.2 传感头结构设计
3.3 超声换能器结构设计
超声换能器主要由三个部分组成：背衬、 压电晶体和匹配层。 背衬：采用HY6005A与HY6005B的混合 胶，调制比例是100:16。此外再加入一定 量的300目的软木粉； 压电晶体：选用300KHz的压电晶体，它 的厚度t=0.4mm，直径为6mm。
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街频率的检测 无旋涡时，超声接收端收到的声能为： PP 0 sin(2 f ct ) 声束受到旋涡调制后，超声接收端收到的声能 为： PP 0 [1 M sin(2 ft )]sin(2 f ct )
式中 P0 —— 声能的幅值； M —— 旋涡对声束的调制度 fc —— 超声波的频率； f —— 旋涡频率
——涡街频率，s-1； K ——仪表系数，m3。与管道直径D，发 生体有效长度d，斯特劳哈尔数Sr有关。
f
2.4 涡街流量计的数学建模
超声式涡街流量计应用卡曼涡街与超声声束相互作用， 旋涡对声束产生调制作用，受到调制作用的超声波以载 波的形式到达接受换能器，通过测量电路取出涡街型号， 实现流量测量。
1.3 国内外研究现状
4.产品 1）美国Racine RNG Series Insertion-Style Gas Meter
1.3 国内外研究现状
2）美国Nice LPIV Low Profile Insertion Vortex Flow Meter
1.3 国内外研究现状
3）德国Hö ntzsch
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街流量计是在流体中放一根非流线型旋涡发生体， 液体在发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡 称为卡曼涡街。在一定的雷诺数范围内稳定的卡曼涡街 的脱落频率与流体流速成正比。
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街流量计公式：
qv f / K
qv ——流体流量，m3/s；
标准表流量 [m3/h] 1 2 3 4 5 6 30.9 51.1 72.6 101.4 126.2 150.9 被测表频率 [Hz] 80.7 122.0 180.0 263.2 312.5 370.0 计算流量 [m3/h] 32.3 48.8 72.0 105.2 125.0 148.0 误差 [%] 4.4 -4.4 -0.8 3.8 -1.0 -2.0
4.2 涡街流量计的性能测试
测试平台
4.2 涡街流量计的性能测试
测试平台
4.2 涡街流量计的性能测试
测试所需要的器材： 24V电源；示波器；万用表；插入式超声 涡街流量计；流量校验系统。 安装要求
4.2 涡街流量计的性能测试
测试结果
4.2 涡街流量计的性能测试
根据流量测量公式，K 3600 f / qv ，通过标准 表流量和被测表频率值，可以得出仪表系数， 平均仪表系数为9002.6m-3。
4.1 超声换能器的性能测试
超声换能器基本参数：
表 4-1 超声换能器基本参数 参数 中心频率 带款 回波灵敏度 输入负载 电容 最大输入电压 波束角 工作温度 储藏温度 参考值 350.0± 15.0KHz 25KHz -70dB min 200Ω±30% 1200Pf± 20% 50Vp-p 14° ± 2° -20° C~+70° C -30° C~+80° C
1.3 国内外研究现状
2）20世纪50年代,如风速计和船速计等； 3）60年代末开始研制封闭管道流量计—— 热丝检测法及热敏检测法涡街流量计； 4）20世纪70、80年代涡街流量计发展异常 迅速,开发出众多类型阻流体及检测法的 涡街流量计,并大量生产投放市场。
1.3 国内外研究现状
2.国内 我国涡街流量计生产发展迅速,全国 有数十家生产厂,但无论是涡街流量计的理 论研究还是实践经验均显不足。尤其是在 插入式涡街流量计方面，现在国内插入式 的主要还是针对大管径(200mm)的涡街流 量计。对于小管径的流量测量，只能用法 兰式涡街流量计。
1)形状简单，加工容易，阻力系 1） 强度和稳定性不如非圆 圆柱发 数小，Sr 较高； 柱形截面棱柱体； 生体 2）只有 d 一个可变因素。 2） 边界层控制技术的要求 使结构复杂。 1）形状简单，加工容易，涡街 压力损失比较大，不适用 三角柱 稳定且规则，综合性能优良 于在某些特定的场合。 形发生 2）在日本已经把三角柱发生体 体 定位标准发生体。 1)矩形柱形状简单，利于大批量 1) 流 量 特 性 不 如 三 角 形 矩型柱 生产； 好； 发体 2)由于形状缘故，旋涡强度大， 2) 在气体中，其产生的涡 涡街强烈。 街信号差。 1) 它产生的漩涡比三角柱的更 形状复杂，尺寸参数比较 T 型柱 强烈； 多，设计比较复杂，会大 发生体 2)在较宽的雷诺数范围内，涡街 大的增加加工。 信号稳定性更高。 梯型发 1)形状简单，加工容易，产生的 涡 街 的 稳 定 性 比 较 难 控 生体 涡街强度要比三角柱型强。 制，比三角柱型稍差。 1) 进一步提高涡街信号的强度 尺 寸 参 数 比 单 发 生 体 的 双（多） 和稳定性； 多，加工和试验成本高。 发生体 2)使流量计的流量下限更低。
1.16 1900 1000 t / 4 1.16 v / 4 f 1.8mm 300000 4
3.3 超声换能器结构设计
3.4 涡街流量计的总体结构
3.5 测试电路设计
涡街流量计的电路设计分为两个部分：发 射电路和接收电路
3.5 测试电路设计
3.5 测试电路设计
5.2 展望
电路设计部分：由于设计出只是对涡街的 测试电路进行设计，功能相对简单，抗干 扰能力弱，希望可以设计出功能更强的电 路； 信号处理部分：由于时间有限，本文并没 有对信号进行后续的处理，希望以后可以 在这方面进行完善。
插入式超声涡街流量计 的设计与实现
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定及数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
1.1 流量的定义
所谓流量，是指流经封闭管道或明渠有效 截面的流体量。单位时间内的流体量称瞬 时流量，一段时间内的累积流体量称为累 积流量。 当流体量以体积表示时称为体积流量；当 流体量以质量表示时称为质量流量。
在常温常压下空气的声阻抗：
Z3 3V3 1.164 340 395.76kg / (m2 s)
根据传统理论模型，所需匹配层阻抗：
Z2 Z3 Z1 1.17 105 kg / (m2 s)
3.3 超声换能器结构设计
聚氨酯，其声速约为1900m/s，密度约是 60kg/m3，可以计算出它的声阻抗：
3.3 超声换能器结构设计
匹配层： 采用传统的理论模型设计方式：
z2 z1 z3
式中 z1 ——介质1的声阻抗 z2 ——介质2的声阻抗 z 3 ——介质3的声阻抗
3.3 超声换能器结构设计
压电晶体声阻抗：
Z1 1V1 7.5 103 4600 34.5106 kg / (m2 s)
Fra Baidu bibliotek
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
4.1 超声换能器的性能测试
首先通过信号发生器（F.G.）发射一定频率的正弦信号 到发射换能器（Tr）上面，在12mm的地方放置一个接 收换能器，接收换能器（Re）与示波器（O.S.）相连。 信号发生器器的信号是20V的正弦信号。
1.2 研究目的
开发一款小管径 （25mm）的插入 式涡街流量计，不 但能够应用在小管 径上面，而且安装 维修方便； 为公司开发一款新 型的流量计做前期 的研究，增强企业 的核心竞争力。
1.3 国内外研究现状
1.国外 1）1912年，德国物理学家冯· 卡曼（Von. Karman）在进行大量的实验观察的基础 上，获得了稳定的涡街。
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
3.1 三角体结构设计
三角体的数据：
d / D 0.28 ~ 0.33 h / d 1.2 ~ 1.5
15 ~ 60
3.1 三角体结构设计
通过计算，我们可以得出我们的三角体尺寸如 下： D=12mm，d=3.5mm， h=4.6mm，c=0，d1=0。 可以计算出:
德国KROHNE，日本横河电机，美国Fischer & Porter，北京菲波仪表有限公司
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
2.1 发生体的确定
表 2-1
优势
涡街发生体的特性对比
劣势 信 号 强 度 中 稳 定 性 成 本 复 杂 度
4.3 误差分析
涡街流量计的安装不当 脉动流影响测量 管道振动的影响 电机的影响 其他原因的影响
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
5.1 结论
完成对涡街流量计的方案制定，包括涡街发生 体的选择和涡街检测方式的确定； 完成对涡街流量计的流量测试数学建模以及对 涡街频率检测方式的数学建模； 完成涡街流量计的硬件设计，包括对涡街发生 体设计、涡街传感头设计以及超声换能器设计； 完成涡街流量计的样品设计并生产，通过对涡 街流量计的性能进行检测，可以看出，样品已 经能够进行流量测量。
中
低
低
强
强
低
中
强
低
低
低
强 强 强
低 中 强
强 中 高
强 中 高
2.2 发生体的确定
三角发生体性能优良，可以产生既相对强 烈又稳定的涡街信号； 三角柱发生体结构相对简单，技术也相对 成熟； 已经有相关的标准（JIS Z 8766）可以参 考。
2.3 涡街检测方式的确定
现在主要的检测方式包括：热敏式、超声式、 电容式、压电式、光电式、电磁式、应变式和 光纤式等涡街探测方式。 超声式涡街流量计：1）低流速特性较好，下限 较低；2）谐振状态下的等阻抗较小；3）安装 维修方便；4）体积小。
5 2
有较高的拉伸强度和较好的耐油、耐 溶剂和耐氧化性能，电气性能佳，加工工 艺性好，耐化学药品，吸水率低等优点。
3.3 超声换能器结构设计
匹配层的厚度的 / 4 是根据来确定的，但 是最新的研究表明，在考虑到加有匹配层 后探头频谱的变化，匹配层的厚度应该乘 以一个系数，在单层时其值为1.16 。可 以得出匹配层的厚度：
h / d 1.32
d / D 0.291
20
3.2 传感头结构设计
3.2 传感头结构设计
3.3 超声换能器结构设计
超声换能器主要由三个部分组成：背衬、 压电晶体和匹配层。 背衬：采用HY6005A与HY6005B的混合 胶，调制比例是100:16。此外再加入一定 量的300目的软木粉； 压电晶体：选用300KHz的压电晶体，它 的厚度t=0.4mm，直径为6mm。
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街频率的检测 无旋涡时，超声接收端收到的声能为： PP 0 sin(2 f ct ) 声束受到旋涡调制后，超声接收端收到的声能 为： PP 0 [1 M sin(2 ft )]sin(2 f ct )
式中 P0 —— 声能的幅值； M —— 旋涡对声束的调制度 fc —— 超声波的频率； f —— 旋涡频率
——涡街频率，s-1； K ——仪表系数，m3。与管道直径D，发 生体有效长度d，斯特劳哈尔数Sr有关。
f
2.4 涡街流量计的数学建模
超声式涡街流量计应用卡曼涡街与超声声束相互作用， 旋涡对声束产生调制作用，受到调制作用的超声波以载 波的形式到达接受换能器，通过测量电路取出涡街型号， 实现流量测量。
1.3 国内外研究现状
4.产品 1）美国Racine RNG Series Insertion-Style Gas Meter
1.3 国内外研究现状
2）美国Nice LPIV Low Profile Insertion Vortex Flow Meter
1.3 国内外研究现状
3）德国Hö ntzsch
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街流量计是在流体中放一根非流线型旋涡发生体， 液体在发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡 称为卡曼涡街。在一定的雷诺数范围内稳定的卡曼涡街 的脱落频率与流体流速成正比。
2.4 涡街流量计的数学建模
涡街流量计公式：
qv f / K
qv ——流体流量，m3/s；
标准表流量 [m3/h] 1 2 3 4 5 6 30.9 51.1 72.6 101.4 126.2 150.9 被测表频率 [Hz] 80.7 122.0 180.0 263.2 312.5 370.0 计算流量 [m3/h] 32.3 48.8 72.0 105.2 125.0 148.0 误差 [%] 4.4 -4.4 -0.8 3.8 -1.0 -2.0
4.2 涡街流量计的性能测试
测试平台
4.2 涡街流量计的性能测试
测试平台
4.2 涡街流量计的性能测试
测试所需要的器材： 24V电源；示波器；万用表；插入式超声 涡街流量计；流量校验系统。 安装要求
4.2 涡街流量计的性能测试
测试结果
4.2 涡街流量计的性能测试
根据流量测量公式，K 3600 f / qv ，通过标准 表流量和被测表频率值，可以得出仪表系数， 平均仪表系数为9002.6m-3。
4.1 超声换能器的性能测试
超声换能器基本参数：
表 4-1 超声换能器基本参数 参数 中心频率 带款 回波灵敏度 输入负载 电容 最大输入电压 波束角 工作温度 储藏温度 参考值 350.0± 15.0KHz 25KHz -70dB min 200Ω±30% 1200Pf± 20% 50Vp-p 14° ± 2° -20° C~+70° C -30° C~+80° C
1.3 国内外研究现状
2）20世纪50年代,如风速计和船速计等； 3）60年代末开始研制封闭管道流量计—— 热丝检测法及热敏检测法涡街流量计； 4）20世纪70、80年代涡街流量计发展异常 迅速,开发出众多类型阻流体及检测法的 涡街流量计,并大量生产投放市场。
1.3 国内外研究现状
2.国内 我国涡街流量计生产发展迅速,全国 有数十家生产厂,但无论是涡街流量计的理 论研究还是实践经验均显不足。尤其是在 插入式涡街流量计方面，现在国内插入式 的主要还是针对大管径(200mm)的涡街流 量计。对于小管径的流量测量，只能用法 兰式涡街流量计。
1)形状简单，加工容易，阻力系 1） 强度和稳定性不如非圆 圆柱发 数小，Sr 较高； 柱形截面棱柱体； 生体 2）只有 d 一个可变因素。 2） 边界层控制技术的要求 使结构复杂。 1）形状简单，加工容易，涡街 压力损失比较大，不适用 三角柱 稳定且规则，综合性能优良 于在某些特定的场合。 形发生 2）在日本已经把三角柱发生体 体 定位标准发生体。 1)矩形柱形状简单，利于大批量 1) 流 量 特 性 不 如 三 角 形 矩型柱 生产； 好； 发体 2)由于形状缘故，旋涡强度大， 2) 在气体中，其产生的涡 涡街强烈。 街信号差。 1) 它产生的漩涡比三角柱的更 形状复杂，尺寸参数比较 T 型柱 强烈； 多，设计比较复杂，会大 发生体 2)在较宽的雷诺数范围内，涡街 大的增加加工。 信号稳定性更高。 梯型发 1)形状简单，加工容易，产生的 涡 街 的 稳 定 性 比 较 难 控 生体 涡街强度要比三角柱型强。 制，比三角柱型稍差。 1) 进一步提高涡街信号的强度 尺 寸 参 数 比 单 发 生 体 的 双（多） 和稳定性； 多，加工和试验成本高。 发生体 2)使流量计的流量下限更低。
1.16 1900 1000 t / 4 1.16 v / 4 f 1.8mm 300000 4
3.3 超声换能器结构设计
3.4 涡街流量计的总体结构
3.5 测试电路设计
涡街流量计的电路设计分为两个部分：发 射电路和接收电路
3.5 测试电路设计
3.5 测试电路设计
5.2 展望
电路设计部分：由于设计出只是对涡街的 测试电路进行设计，功能相对简单，抗干 扰能力弱，希望可以设计出功能更强的电 路； 信号处理部分：由于时间有限，本文并没 有对信号进行后续的处理，希望以后可以 在这方面进行完善。
插入式超声涡街流量计 的设计与实现
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定及数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
1.1 流量的定义
所谓流量，是指流经封闭管道或明渠有效 截面的流体量。单位时间内的流体量称瞬 时流量，一段时间内的累积流体量称为累 积流量。 当流体量以体积表示时称为体积流量；当 流体量以质量表示时称为质量流量。
在常温常压下空气的声阻抗：
Z3 3V3 1.164 340 395.76kg / (m2 s)
根据传统理论模型，所需匹配层阻抗：
Z2 Z3 Z1 1.17 105 kg / (m2 s)
3.3 超声换能器结构设计
聚氨酯，其声速约为1900m/s，密度约是 60kg/m3，可以计算出它的声阻抗：
3.3 超声换能器结构设计
匹配层： 采用传统的理论模型设计方式：
z2 z1 z3
式中 z1 ——介质1的声阻抗 z2 ——介质2的声阻抗 z 3 ——介质3的声阻抗
3.3 超声换能器结构设计
压电晶体声阻抗：
Z1 1V1 7.5 103 4600 34.5106 kg / (m2 s)
Fra Baidu bibliotek
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
4.1 超声换能器的性能测试
首先通过信号发生器（F.G.）发射一定频率的正弦信号 到发射换能器（Tr）上面，在12mm的地方放置一个接 收换能器，接收换能器（Re）与示波器（O.S.）相连。 信号发生器器的信号是20V的正弦信号。
1.2 研究目的
开发一款小管径 （25mm）的插入 式涡街流量计，不 但能够应用在小管 径上面，而且安装 维修方便； 为公司开发一款新 型的流量计做前期 的研究，增强企业 的核心竞争力。
1.3 国内外研究现状
1.国外 1）1912年，德国物理学家冯· 卡曼（Von. Karman）在进行大量的实验观察的基础 上，获得了稳定的涡街。
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
3.1 三角体结构设计
三角体的数据：
d / D 0.28 ~ 0.33 h / d 1.2 ~ 1.5
15 ~ 60
3.1 三角体结构设计
通过计算，我们可以得出我们的三角体尺寸如 下： D=12mm，d=3.5mm， h=4.6mm，c=0，d1=0。 可以计算出:
德国KROHNE，日本横河电机，美国Fischer & Porter，北京菲波仪表有限公司
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
2.1 发生体的确定
表 2-1
优势
涡街发生体的特性对比
劣势 信 号 强 度 中 稳 定 性 成 本 复 杂 度
4.3 误差分析
涡街流量计的安装不当 脉动流影响测量 管道振动的影响 电机的影响 其他原因的影响
报告的主要内容：
1、课题背景及意义 2、方案的确定和数学建模 3、硬件实现 4、涡街流量计的性能测试 5、结论及展望
5.1 结论
完成对涡街流量计的方案制定，包括涡街发生 体的选择和涡街检测方式的确定； 完成对涡街流量计的流量测试数学建模以及对 涡街频率检测方式的数学建模； 完成涡街流量计的硬件设计，包括对涡街发生 体设计、涡街传感头设计以及超声换能器设计； 完成涡街流量计的样品设计并生产，通过对涡 街流量计的性能进行检测，可以看出，样品已 经能够进行流量测量。
中
低
低
强
强
低
中
强
低
低
低
强 强 强
低 中 强
强 中 高
强 中 高
2.2 发生体的确定
三角发生体性能优良，可以产生既相对强 烈又稳定的涡街信号； 三角柱发生体结构相对简单，技术也相对 成熟； 已经有相关的标准（JIS Z 8766）可以参 考。
2.3 涡街检测方式的确定
现在主要的检测方式包括：热敏式、超声式、 电容式、压电式、光电式、电磁式、应变式和 光纤式等涡街探测方式。 超声式涡街流量计：1）低流速特性较好，下限 较低；2）谐振状态下的等阻抗较小；3）安装 维修方便；4）体积小。