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CKD喜開理卡曼渦街式流量傳感器WFK2系列的工作原理

更新時(shí)間:2025-12-29點(diǎn)擊次數(shù):90
WFK2系列核心依托“卡曼渦街流體力學(xué)效應(yīng)"實(shí)現(xiàn)流量測量,通過精準(zhǔn)捕捉流體繞流產(chǎn)生的漩渦信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理與補(bǔ)償算法轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)流量數(shù)據(jù),同時(shí)集成溫度測量與多場景適配設(shè)計(jì),適配清水、工業(yè)用水及氟類液體(如Fluorinert™、Galden®等)的流量檢測,覆蓋0.4~250L/min寬量程范圍。其完整工作流程可分為“漩渦產(chǎn)生—漩渦檢測—信號(hào)轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)處理—輸出與補(bǔ)償"五大核心環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性實(shí)現(xiàn)高精度測量。

一、核心基礎(chǔ):卡曼渦街效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制

WFK2系列傳感器內(nèi)部流道中固定有特定形狀的“漩渦發(fā)生體"(鈍體,材質(zhì)為SUS304或SCS13不銹鋼,適配腐蝕性較低的水及氟類液體),這是產(chǎn)生卡曼渦街的關(guān)鍵部件。當(dāng)被測流體(水或氟類液體)以一定速度流經(jīng)流道時(shí),會(huì)在漩渦發(fā)生體的兩側(cè)交替分離出一系列有規(guī)律的漩渦,形成對稱排列的漩渦列,即“卡曼渦街"。
漩渦的產(chǎn)生頻率與流體流速存在嚴(yán)格的線性對應(yīng)關(guān)系,核心遵循公式:f = St×v/d(其中f為漩渦頻率,St為斯特勞哈爾數(shù)——WFK2系列通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化將St校準(zhǔn)為固定常數(shù),v為流體平均流速,d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸)。由于傳感器流道截面積固定,流速v可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為體積流量Q(Q=v×A,A為流道有效截面積),因此通過測量漩渦頻率f即可間接計(jì)算出流體的體積流量,這是WFK2系列測量的核心邏輯。
特別說明:WFK2系列針對不同流量范圍(0.4~5L/min至20~250L/min)設(shè)計(jì)了不同尺寸的漩渦發(fā)生體與流道,小本體型(WFK2-005/020/050)與大本體型(WFK2-100/250)的發(fā)生體尺寸、流道截面積均經(jīng)過精準(zhǔn)匹配,確保在各自量程內(nèi)漩渦頻率與流量的線性關(guān)系穩(wěn)定,同時(shí)將壓力損失控制在0.03~0.07MPa(滿量程時(shí)),減少對管路系統(tǒng)的影響。

二、關(guān)鍵環(huán)節(jié):漩渦的精準(zhǔn)檢測與信號(hào)采集

WFK2系列采用“熱敏式檢測"方案(適配液體介質(zhì)的穩(wěn)定檢測需求),在漩渦發(fā)生體下游對稱安裝高精度熱敏電阻(或鉑電阻)傳感器,并與加熱元件組成平衡電橋電路,實(shí)現(xiàn)對漩渦信號(hào)的高靈敏度捕捉。其檢測原理如下:
  1. 初始狀態(tài)下,加熱元件對熱敏電阻進(jìn)行恒溫加熱,兩個(gè)對稱布置的熱敏電阻處于相同溫度環(huán)境,電橋電路保持平衡,輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓信號(hào);

  2. 當(dāng)漩渦從發(fā)生體一側(cè)分離并流經(jīng)對應(yīng)側(cè)的熱敏電阻時(shí),會(huì)帶走熱敏電阻表面的熱量,導(dǎo)致該側(cè)電阻阻值發(fā)生變化(溫度降低→電阻增大);

  3. 由于漩渦交替從發(fā)生體兩側(cè)分離,兩側(cè)熱敏電阻會(huì)交替出現(xiàn)溫度變化與阻值波動(dòng),破壞電橋電路的平衡狀態(tài),從而輸出與漩渦頻率同步的交替變化電壓信號(hào)(即“交變信號(hào)");

  4. 該交變信號(hào)的頻率與漩渦產(chǎn)生頻率一致,因此通過采集此信號(hào)頻率即可反向推導(dǎo)流體流速與流量。

補(bǔ)充設(shè)計(jì):針對氟類液體(如FC-40、Novec7300等)的適配需求(SF選項(xiàng)機(jī)型),WFK2系列優(yōu)化了熱敏元件的封裝材質(zhì)與表面處理工藝,采用耐氟腐蝕的FKM氟橡膠密封件(對應(yīng)氟類液體時(shí)更換為EPDM乙丙烯橡膠),避免流體與元件直接接觸導(dǎo)致?lián)p壞,同時(shí)確保檢測靈敏度不受影響。

三、信號(hào)處理:從原始信號(hào)到精準(zhǔn)流量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化

熱敏檢測模塊輸出的原始交變信號(hào)強(qiáng)度較弱(mV級(jí)),且可能包含管路振動(dòng)、流體擾動(dòng)等干擾信號(hào),需經(jīng)過信號(hào)處理模塊的多步優(yōu)化處理,具體流程如下:
  1. 信號(hào)放大:通過高精度運(yùn)算放大器將原始微弱信號(hào)放大至可識(shí)別的V級(jí)信號(hào),為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ);

  2. 濾波降噪:采用低通濾波電路過濾高頻干擾信號(hào)(如管路振動(dòng)產(chǎn)生的高頻噪聲),同時(shí)保留與漩渦頻率對應(yīng)的有效信號(hào),確保信號(hào)純度;

  3. 波形整形:將放大、濾波后的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)(數(shù)字信號(hào)),便于微處理器精準(zhǔn)捕捉信號(hào)頻率;

  4. 頻率計(jì)數(shù)與流量換算:微處理器通過計(jì)時(shí)單元統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的方波脈沖數(shù)(即漩渦頻率f),結(jié)合預(yù)設(shè)的傳感器參數(shù)(斯特勞哈爾數(shù)St、流道截面積A、管道內(nèi)徑等),代入流量計(jì)算公式Q = St×f×A×d(優(yōu)化后簡化公式),直接計(jì)算出實(shí)時(shí)體積流量;

  5. 累計(jì)流量計(jì)算:通過對實(shí)時(shí)流量進(jìn)行時(shí)間積分,得到累計(jì)流量值(范圍0~99999L或0~99999m3),電源切斷時(shí)累計(jì)數(shù)據(jù)復(fù)位,符合工業(yè)流量統(tǒng)計(jì)需求。

關(guān)鍵優(yōu)化:WFK2系列設(shè)置了“低流量切除"功能(默認(rèn)切除滿量程的5%以下流量信號(hào)),避免低流量工況下漩渦產(chǎn)生不穩(wěn)定導(dǎo)致的測量誤差;同時(shí)采用10秒內(nèi)平均值計(jì)算機(jī)制(注2明確精度為10秒內(nèi)平均值),進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

四、溫度補(bǔ)償與多場景適配:保障復(fù)雜工況下的測量精度

流體溫度變化會(huì)導(dǎo)致其密度、粘度改變,進(jìn)而影響漩渦產(chǎn)生頻率與流量的線性關(guān)系,WFK2系列通過“內(nèi)置溫度傳感器+實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法"解決這一問題,同時(shí)適配不同流體與工況:
  1. 溫度采集:傳感器內(nèi)置高精度溫度傳感器(與流體接觸,液體接觸部件材質(zhì)為不銹鋼),實(shí)時(shí)采集被測流體溫度(測量范圍0~100℃),并將溫度數(shù)據(jù)傳輸至微處理器;

  2. 溫度補(bǔ)償:微處理器根據(jù)采集到的流體溫度,調(diào)用預(yù)設(shè)的補(bǔ)償算法(注3明確溫度特性為±5%F.S.,25℃為基準(zhǔn)),修正流量計(jì)算結(jié)果——例如,當(dāng)流體溫度升高導(dǎo)致粘度降低時(shí),算法會(huì)適當(dāng)調(diào)整流量系數(shù),確保測量精度符合±2.5%F.S.(模擬輸出精度)、±2.5%F.S.±1digit(顯示精度)的標(biāo)準(zhǔn);

  3. 流體適配優(yōu)化:針對水與氟類液體的物理特性差異(如密度、粘度不同),SF選項(xiàng)機(jī)型(氟類液體適配)會(huì)在出廠時(shí)預(yù)設(shè)對應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù),結(jié)合壓力損失與比重的換算公式(Δp?/G?=Δp?/G?,Δp為壓力損失,G為比重),進(jìn)一步修正流量數(shù)據(jù),確保不同流體下的測量精度。

五、信號(hào)輸出與功能拓展:適配工業(yè)自動(dòng)化需求

處理后的精準(zhǔn)流量數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)流量、累計(jì)流量)與溫度數(shù)據(jù),通過多種輸出方式供工業(yè)控制系統(tǒng)使用,同時(shí)支持功能拓展:
  1. 模擬輸出:標(biāo)準(zhǔn)輸出為DC0~5V/1~5V,可選DC4~20mA或DC0~10V/1~10V,直接對應(yīng)實(shí)時(shí)流量或溫度信號(hào),適配PLC等模擬量輸入設(shè)備;

  2. 開關(guān)輸出:支持NPN或PNP晶體管集電極開路輸出(負(fù)荷電流50mA),可設(shè)定流量閾值,實(shí)現(xiàn)流量異常(超上限/下限)報(bào)警;

  3. 數(shù)字通信(IO-Link型):IO-Link對應(yīng)機(jī)型(符合IEC61131-9標(biāo)準(zhǔn))可通過數(shù)字通信傳輸流量、溫度、累計(jì)流量等數(shù)據(jù),還能遠(yuǎn)程設(shè)定參數(shù)、復(fù)制配置,實(shí)現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)化;

  4. 顯示與操作:雙畫面LCD顯示屏可同時(shí)顯示實(shí)時(shí)流量、流體溫度、累計(jì)流量等數(shù)據(jù),支持畫面旋轉(zhuǎn)(90°步進(jìn)),便于不同安裝方向下的讀數(shù);通過快捷鍵可快速調(diào)整輸出閾值等常用參數(shù),提升操作便捷性。

六、核心總結(jié):WFK2系列工作原理的關(guān)鍵優(yōu)勢

WFK2系列通過“卡曼渦街核心原理+熱敏精準(zhǔn)檢測+溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償+多輸出適配"的組合設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了寬量程、高精度的液體流量測量。其核心優(yōu)勢在于:一是通過優(yōu)化漩渦發(fā)生體與檢測元件的結(jié)構(gòu)匹配,確保0.4~250L/min量程內(nèi)的線性穩(wěn)定性;二是內(nèi)置溫度補(bǔ)償與流體適配算法,適配水、氟類液體等多種介質(zhì)及1~95℃(氟類液體可至-10~95℃)的寬溫度范圍;三是通過信號(hào)濾波、平均值計(jì)算等設(shè)計(jì),提升復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的抗干擾能力與數(shù)據(jù)可靠性,最終滿足半導(dǎo)體制造、淬火設(shè)備、點(diǎn)焊機(jī)等場景的冷卻液流量管理需求。

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