《發(fā)明創(chuàng)新設(shè)計及實踐》結(jié)課作業(yè)

1、 發(fā)明創(chuàng)新設(shè)計及實踐結(jié)課作業(yè)姓名：侯明泰學(xué)號：1562162232序號：8號1. 提出問題2. 描述問題3.國內(nèi)外研究情況及發(fā)展水平4.提出解決問題的兩條技術(shù)路線，并比較其優(yōu)缺點5.最終結(jié)果1. 提出問題為什么高層樓廈、電視發(fā)射塔、煙囪及橋梁等在大風(fēng)刮的時候會產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲響效應(yīng)，日常生活中所聽到的風(fēng)吹電線的風(fēng)鳴聲？2. 描述問題高層樓廈、電視發(fā)射塔、煙囪以及其他懸掛在高空中的東西當有大風(fēng)的時候會產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲響效應(yīng)，日常生活中所聽到的風(fēng)吹電線的風(fēng)鳴聲，橋梁經(jīng)過一段時間后會出現(xiàn)損壞，流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產(chǎn)生卡門渦街，在一定條件下的定常來流繞過某些

2、物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。3. 國內(nèi)外研究情況及發(fā)展水平u 國內(nèi)研究情況及發(fā)展水平：在中國隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)及集成電路技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化和開放性發(fā)展。順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)是今自動控制和計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)展的熱點,它被稱為開放式、數(shù)字化、多點通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的工業(yè)儀表測控系統(tǒng)在性能上出現(xiàn)了巨大的飛躍。本文通過大量的工業(yè)現(xiàn)場試驗,根據(jù)產(chǎn)品在開發(fā)實驗中出現(xiàn)的問題,完成了對一期開發(fā)的“低功耗智能渦街流量計”性

3、能的改進任務(wù)在此基礎(chǔ)上,進一步將處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、通訊協(xié)議等嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于高端渦街流量計的開發(fā),改善了傳統(tǒng)的渦街流量計的數(shù)據(jù)顯示和通訊的方式,使得渦街流量計更具智能化和網(wǎng)絡(luò)化的功能,對于提高我國渦街流量計的研究和開發(fā)的技術(shù)水平具有積極意義和重要的應(yīng)用價值。論文的主要研究工作如下在總結(jié)一期開發(fā)工作和查閱國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上,對渦街流量計的智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行了改進,并對現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及特點進行了詳細的介紹。設(shè)計了基于北京華榮匯通信器材公司生產(chǎn)的的無線通訊模塊,提出了利用一,全球移動通信系統(tǒng)短消息業(yè)務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信，以達到流量計量的目的。具有實現(xiàn)簡單、數(shù)據(jù)傳輸可靠、不受地域環(huán)境限制等特點。

4、設(shè)計了基于協(xié)議的渦街流量計的有線通訊模塊和主從分布式數(shù)據(jù)采集的通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在總線上進行遠距離多點半雙工數(shù)據(jù)傳輸,滿足了居民小區(qū)、大型工業(yè)企業(yè)等對區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化流量檢測技術(shù)的需求。流量檢測系統(tǒng)上位微機管理軟件采用工控組態(tài)軟件組態(tài)王進行設(shè)計,界面友好,功能完備,操作簡便。系統(tǒng)具有可靠性、可維護性、安全性及較強的操作性,實現(xiàn)了渦街流量計管理手段的現(xiàn)代化與自動化。目前渦街流量計信號采集電路和低功耗型轉(zhuǎn)換顯示電路已經(jīng)進入生產(chǎn)階段,投入了市場。兩種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)也正在現(xiàn)場運行和調(diào)試當中,其中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)己經(jīng)在滄州自來水廠試運行,目前運行了個月,一切正常?；趨f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)也正在河北宏業(yè)機械股份有限公

5、司儀表研究所實驗室進行調(diào)試。本文提出的基于和協(xié)議的兩種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式不但適用于渦街流量計也同樣適用于其他類型的流量計,在工業(yè)測控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞渦街流量計,現(xiàn)場總線,協(xié)議,組態(tài)軟件要有一定的升角，來產(chǎn)生渦旋與雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)Re滿足一定條件，讓相鄰兩渦旋錯開一定的比值，渦旋的中心點對齊。u 國外研究情況及發(fā)展水平：美國宇航局2009年5月公布所選出的50年十佳地球衛(wèi)星照片,排在十佳第一張的照片是“陸地衛(wèi)星7號”2007年拍攝的這張照片(圖1),它展示了一排渦旋正在交替改變向前運行的方向,這正是“馮·卡門渦街”。當風(fēng)或者洋流被島嶼擋住去路時,會出現(xiàn)這種圖形。此圖片中的這些

6、卡門渦街,是當風(fēng)吹過太平洋北部向東運行過程中,遇到阿留申群島時形成的。實際上,也還有另外一些衛(wèi)星拍攝到了很清晰的卡門渦街照片。2009年2月24日,來自北方的冷空氣(可能是來自格陵蘭的重力風(fēng))遭遇格陵蘭海域上空的潮濕空氣,在揚曼因(Jan Mayen)島附近上空形成了一排排的積云。揚曼因島阻礙了風(fēng)的行進,對天氣也施加了影響。就像水流會分開繞過河里的巨石一樣,吹來的風(fēng)也會在揚曼因島的北面分叉,然后在它的南面又再次匯攏。在揚曼因島的下風(fēng)處,當冷空氣從巖石表面刮過時,形成了一連串螺旋狀的渦旋,這也正是卡門渦街。在圖片的左上角,可以看到一小片白雪覆蓋的格陵蘭島的海岸線以及海冰。在靠近海岸線的地方還有許

7、多巨大而不規(guī)則的浮冰漂浮著。這張照片是由美國宇航局衛(wèi)星上的中等分辨率成像光譜儀拍攝的。還有兩張衛(wèi)星拍攝的照片,也很清楚地看到了卡門渦街,它們分別是在智利和日本的小島后面形成的。這些衛(wèi)星拍攝的卡門渦街照片,引起了人們對馮·卡門和卡門渦街進一步了解的興趣。對馮·卡門的成長有很好的影響。馮·卡門6歲時就能對5位數(shù)的乘法略一思索就報出答案來。父親對馮·卡門最大的幫助和培養(yǎng)是啟發(fā)他對知識的好奇心。16歲的馮·卡門在1898年11月進了布達佩斯皇家工學(xué)院(布達佩斯工學(xué)院的前身),他的第一篇論文是在班基教授指導(dǎo)下完成的。這篇論文分析了發(fā)動機的一種常見故障進、

8、排氣閥門的振動和噪音,1902年馮·卡門以優(yōu)異的成績大學(xué)畢業(yè)。1906年去德國哥廷根(Göttingen)大學(xué)求學(xué),在普朗特(Ludwig Prandtl1875 1953)教授的指導(dǎo)下,完成了關(guān)于柱體塑性區(qū)內(nèi)屈曲問題的論文,于1908年獲得博士學(xué)位。哥廷根大學(xué)高雅的學(xué)術(shù)氣氛使他著迷,在普朗特和D·希爾伯特、F·克萊因等科學(xué)大師的影響下,打下了雄厚的基礎(chǔ)。后來有一次在觀看歐洲飛行表演時,引起了對飛機的興趣,從而開始悉心研究空氣動力學(xué),馮·卡門的注意力逐漸轉(zhuǎn)移到了航空科學(xué)上來。美國塔科瑪峽谷橋(Tacoma Nar-row Bridge)風(fēng)毀事故

9、的慘痛教訓(xùn),使人們認識到卡門渦街對建筑安全上的重要作用。1940年,美國華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費640萬美元,建造了一座主跨度853.4 m的懸索橋。建成4個月后,于同年11月7日碰到了一場風(fēng)速為19 m/s的風(fēng)。雖風(fēng)不算大,但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動,且振幅越來越大(接近9 m),直到橋面傾斜到45度左右,使吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而塌毀,墜落到峽谷之中。當時正好有一支好萊塢電影隊在以該橋為外景拍攝影片,記錄了橋梁從開始振動到最后毀壞的全過程,它后來成為美國聯(lián)邦公路局調(diào)查事故原因的珍貴資料。人們在調(diào)查這一事故收集歷史資料時,驚異地發(fā)現(xiàn):從1818年到19世紀末,由風(fēng)引起的橋梁振動己至少

10、毀壞了11座懸索塔科瑪橋的坍塌。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,人們對塔科瑪橋的風(fēng)毀事故的原因進行了研究。一開始,就有二種不同的意見在進行爭論。部份航空工程師認為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振;而以馮·卡門為代表的流體力學(xué)家認為,塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面,和流線型的機翼不同,存在著明顯的渦旋脫落,應(yīng)該用渦激共振機理來解釋。馮·卡門1954年在空氣動力學(xué)的發(fā)展一書中寫道:塔科瑪海峽大橋的毀壞,是由周期性渦旋的共振引起的。設(shè)計的人想建造一個較便宜的結(jié)構(gòu),采用了平鈑來代替桁架作為邊墻。不幸,這些平鈑引起了渦旋的發(fā)放,使橋身開始扭轉(zhuǎn)振動。這一大橋的破壞現(xiàn)象,是振動與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而

11、引起的。20世紀60年代,經(jīng)過計算和實驗,證明了馮·卡門的分折是正確的。塔科瑪橋的風(fēng)毀事故,是一定流速的流體流經(jīng) 流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋。 卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產(chǎn)生卡門渦街。1911年,德國科學(xué)家T.von卡門從空氣動力學(xué)的觀點找到了這種渦旋穩(wěn)定性的理論根據(jù)。對圓柱繞流，渦街的每個單渦的頻率f與繞流速度v成正比，與圓柱體直徑d成反比，即。Sr是斯特勞哈爾數(shù),它主要與雷諾數(shù)有關(guān)。當雷諾數(shù)為3003×105時,S

12、r近似于常數(shù)值(0.21)；當雷諾數(shù)為 3×1053×106時，有規(guī)則的渦街便不再存在；當雷諾數(shù)大于3×106時，卡門渦街又會自動出現(xiàn)，這時Sr約為0.27。出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近,就會引起共振,甚至使物體損壞。這種渦街曾使?jié)撍У臐撏R失去觀察能力,海峽大橋受到毀壞,鍋爐的空氣預(yù)熱器管箱發(fā)生振動和破裂。但是利用卡門渦街的這種周期的、交替變化的性質(zhì)，可制成卡門渦街流量計，通過測量渦流的脫落頻率來確定流體的速度或流量?？ㄩT出身于奧匈帝國個教育學(xué)教授的家庭，1902年畢業(yè)于布達佩斯皇家工學(xué)院，1906

13、年去德國哥廷根（Göttingen）大學(xué)求學(xué)，在普朗特（Ludwig Prandtl 18751953）教授的指導(dǎo)下，于1908年獲得博士學(xué)位。馮?卡門1911年時在哥廷根大學(xué)當助教，普朗特教授當時的研究興趣，主要集中在邊界層問題上。普朗特交給博士生哈依門茲（Karl Hiemenz ）的任務(wù)，是設(shè)計一個水槽，使能觀察到圓柱體后面的流動分裂，用實驗來核對按邊界層理論計算出來的分裂點。為此，必須先知道在穩(wěn)定水流中圓柱體周圍的壓力強度如何分布。哈依門茲做好了水槽，但出乎意外的是在進行實驗時，發(fā)現(xiàn)在水槽中的水流不斷地發(fā)生激烈的擺動。 哈依門茲向普朗特教授報告這一情況后，普朗特告訴

14、他：“顯然，你的圓柱體不夠圓”?？墒?，當哈依門茲將圓柱體作了非常精細的加工后，水流還是在繼續(xù)擺動。普朗特又說：“水槽可能不對稱”。哈依門茲于是又開始細心地調(diào)整水槽，但仍不能解決問題。馮卡門當時所做的課題與哈依門茲的工作并沒有關(guān)系，而他每天早上進實驗室時總要跑過去問：“哈依門茲先生，現(xiàn)在流動穩(wěn)定了沒有？”哈依門茲非常懊喪地回答：“始終在擺動”，這時馮卡門想，如果水流始終在擺動，這個現(xiàn)象一定會有內(nèi)在的客觀原因。在一個周末，馮卡門用粗略的運算方法，試計算了一下渦系的穩(wěn)定性。他假定只有一個渦旋可以自由活動，其他所有的渦旋都固定不動。然后讓這一渦旋稍微移動一下位置，看看計算出來會有什么樣的結(jié)果。馮卡門得

15、到的結(jié)論是：如果是對稱的排列，那么這個渦旋就一定離開它原來的位置越來越遠；而對于反對稱的排列，雖然也得到同樣的結(jié)果，但當行列的間距和相鄰渦旋的間距有一定比值對，這渦旋卻停留在它原來位置的附近，并且圍繞原來的位置作微小的環(huán)形路線運動。 星期一上班時，馮卡門向普朗特教授報告了他的計算結(jié)果，并問普朗特對這一現(xiàn)象的看法如何？普朗特說，“這里面有些道理，寫下來罷，我把你的論文提交到學(xué)院去”。馮卡門后來回憶時，對此事寫道：“這就是我關(guān)于這一問題的第一篇論文。之后，我覺得，我的假定有點太武斷。于是又重新研究一個所有渦旋都能移動的渦系。這樣需要稍微復(fù)雜一些的數(shù)學(xué)計算。經(jīng)過幾周后，計算完畢，我寫出了第

16、二篇論文。有人問我：你為什么在三個星期內(nèi)提出兩篇論文呢？一定有一篇是錯的罷。其實并沒有錯，我只是先得出個粗略的近似，然后再把它細致化，基本上結(jié)果是一樣的；只是得到的臨界比的數(shù)值并不完全相同”。 比如：作者：Jennyfool卡門渦街是流體遇到障礙物時在障礙物后產(chǎn)生兩道非對稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的旋渦循時針方向轉(zhuǎn)動，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯排列，各個旋渦和對面兩個旋渦的中間點對齊，如街道兩邊的街燈般，這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國空氣動力學(xué)家西奧多·馮·卡門最先從理論上闡明而得名卡門渦街。圖一中即為圓柱障礙物后（下游）的卡門渦街。一方面，卡門渦街會引發(fā)障

17、礙物的震動，在橋梁設(shè)計，高層建筑設(shè)計中都必須要考慮到；另一方面卡門渦街會使障礙物后方流體形成一個反向的流動，根據(jù)作用力反作用力原理（動量守恒），這會使障礙物受到一個阻力。在空氣中因為氣體密度很小這股流動的作用力不是很顯著，但換成水流這個力就不可小視了。一個直觀的理解就是如果人在水里把水往懷里抱，水向自己流，自然就會受到一個與水流方向相反的力?？墒沁@跟魚有什么關(guān)系？有人一定想說，“我知道了，魚要避免這樣的情況產(chǎn)生，所以都進化出了流線型，不會在身后產(chǎn)生卡門渦街?！睂α艘话?，魚的流線型的確避免了產(chǎn)生阻力的卡門渦街，但是它瞄準了這個力，想要為自己所用。怎么用呢？我們來幫魚想一想，首先，肯定是想要一個推

18、力，而不是阻力，所以造成的水流的方向應(yīng)該是向后，而不是向前；然后，聯(lián)系之前關(guān)于卡門渦街的分析，正常方向的卡門渦街內(nèi)的漩渦會產(chǎn)生向前的水流，那想要向后的水流是不是把旋轉(zhuǎn)方向反一下就好了？Bingo！就是這樣。魚兒正是通過不斷擺尾來在身后制造了“反卡門渦街（reverse Karman vortex street）”，使身后的水流向后，對自身施加向前的推力。這就相當于魚兒給自己裝了一個噴射裝置，不斷地向后噴水，以達到將自身向前推進的目的。4. 提出解決問題的兩條技術(shù)路線，并比較其優(yōu)缺點1) 第一條路線：流量計實際上，卡門渦街并不全是會造成不幸的事故，它也有很成功的應(yīng)用。比如己在工業(yè)中廣泛使用的卡門

19、渦街流量計，就是利用卡門渦街現(xiàn)象制造的一種流量計。它將渦旋發(fā)生體垂直插入到流體中時，流體繞過發(fā)生體時會形成卡門渦街，在滿足一定的條件下，非對稱渦列就能保持穩(wěn)定，此時，渦旋的頻率f與流體的流速v及渦旋發(fā)生體的寬度d有如下關(guān)系：f=St(v/d)其中St為斯特勞哈爾數(shù)，在正常工作條件下為常數(shù)。卡門渦街流量計有許多優(yōu)點：可測量液體、氣體和蒸汽的流量；精度可達±1%(指示值)；結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，可靠、耐用；壓電元件封裝在發(fā)生體中，檢測元件不接觸介質(zhì)；使用溫度和壓力范圍寬，使用溫度最高可達400；并具備自動調(diào)整功能，能用軟件對管線噪聲進行自動調(diào)整。2) 第二條路線：分類：l 優(yōu)缺點：卡門式渦

20、街流量計的優(yōu)點：可在很寬的流量范圍內(nèi)精確測量氣體、液體和蒸汽的流量而不受流體物理性質(zhì)的影響。 不受溫度、壓力的影響，同時不易堵，不易卡，不易結(jié)垢，耐高溫，高壓， 安全防爆，適用于惡劣環(huán)境 無可動部件、無孔洞縫隙設(shè)計，產(chǎn)品無磨損、耐臟污，無須機械維修，使用壽命長 采用微功耗高新技術(shù),電池供電的現(xiàn)場顯示型流量計,可不斷電運行兩年以上; 溫壓補償一體化設(shè)計; 電流輸出均為電隔離型,具有良好的共模干擾抑制能力; 同時顯示流量值與累計流量值,不必輪流切換。 采用抗振動探頭，有效消除外界振動影響。 電路采用表面貼裝工

21、藝，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。 采用分體式信號轉(zhuǎn)換器，電纜最長10米。 量程比寬達20：1 儀表整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，動態(tài)測量范圍寬，壓力損失小 表體采用不銹鋼材質(zhì)，可適用于腐蝕性介質(zhì)的測量； 現(xiàn)場液晶顯示，脈沖、420mA輸出或485通迅，可與工業(yè)自動化系統(tǒng)連接；渦街流量計與節(jié)流式流量計的優(yōu)缺點 (1)渦街流量計的優(yōu)點與節(jié)流式差壓流量計相比，渦街流量計有如下優(yōu)點。結(jié)構(gòu)簡單、牢固、安裝維護方便。無需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄露、堵塞和凍結(jié)等。精確度較高，一般為(11.5)%。測量范圍寬，合理確定口徑，范圍度可達20:1。壓損小，約為節(jié)流式差壓流量計的1/4

22、1/2。輸出與流量成正比的脈沖信號，無零點漂移。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率不受流體物性(密度、粘度)和組成的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀、尺寸有關(guān)。(2)渦街流量計的局限性對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所?？趶皆酱?，分辨率越低，一般滿管時流量計用于DN400以下。流體溫度太高時，傳感器還有困難，一般流體溫度420。當流體有壓力脈動或流量脈動時，示值大幅度偏高，影響較大，因此不適用于脈動流。(3)節(jié)流式差壓流量計優(yōu)點節(jié)流式差壓流量計中的標準孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單牢固，性能穩(wěn)定可靠，價格低廉。無需實流校準就可使用，這在流量計中是少有的。適用范圍廣泛。既適用于全部單相流體，也可測量部分混相流，如氣固、汽液、固液等。(4)節(jié)流式差壓流量計局限性測量精確度在流量計中屬中等水平。由于眾多因素的影響錯綜復(fù)雜，精確度難以提高。范圍度窄，由于儀表信號(差壓)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅3:14:1?，F(xiàn)場安裝條件要求較高，如需較長的直管段(指孔板、噴嘴)，一般難以滿足。節(jié)流裝置與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄露、堵塞及凍結(jié)、信號失真等故障。最近幾年發(fā)展起來的一體型節(jié)流式差壓流量計，雖然仍有引壓管線，但長度不足1m，