《发明创新设计及实践》结课作业

1、 发明创新设计及实践结课作业姓名：侯明泰学号：1562162232序号：8号1. 提出问题2. 描述问题3.国内外研究情况及发展水平4.提出解决问题的两条技术路线，并比较其优缺点5.最终结果1. 提出问题为什么高层楼厦、电视发射塔、烟囱及桥梁等在大风刮的时候会产生振动，并发出声响效应，日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声？2. 描述问题高层楼厦、电视发射塔、烟囱以及其他悬挂在高空中的东西当有大风的时候会产生振动，并发出声响效应，日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声，桥梁经过一段时间后会出现损坏，流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街，在一定条件下的定常来流绕过某些

2、物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。3. 国内外研究情况及发展水平u 国内研究情况及发展水平：在中国随着计算机技术、通讯技术及集成电路技术的发展,传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展。顺应这一形势发展起来的现场总线技术是今自动控制和计算机网络领域发展的热点,它被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。现场总线的出现使得传统的工业仪表测控系统在性能上出现了巨大的飞跃。本文通过大量的工业现场试验,根据产品在开发实验中出现的问题,完成了对一期开发的“低功耗智能涡街流量计”性

3、能的改进任务在此基础上,进一步将处理器、网络通信、通讯协议等嵌入式系统技术应用于高端涡街流量计的开发,改善了传统的涡街流量计的数据显示和通讯的方式,使得涡街流量计更具智能化和网络化的功能,对于提高我国涡街流量计的研究和开发的技术水平具有积极意义和重要的应用价值。论文的主要研究工作如下在总结一期开发工作和查阅国内外资料的基础上,对涡街流量计的智能数据处理系统进行了改进,并对现场总线的现状及特点进行了详细的介绍。设计了基于北京华荣汇通信器材公司生产的的无线通讯模块,提出了利用一,全球移动通信系统短消息业务实现数据的远程通信，以达到流量计量的目的。具有实现简单、数据传输可靠、不受地域环境限制等特点。

4、设计了基于协议的涡街流量计的有线通讯模块和主从分布式数据采集的通讯系统。该系统可在总线上进行远距离多点半双工数据传输,满足了居民小区、大型工业企业等对区域性网络化流量检测技术的需求。流量检测系统上位微机管理软件采用工控组态软件组态王进行设计,界面友好,功能完备,操作简便。系统具有可靠性、可维护性、安全性及较强的操作性,实现了涡街流量计管理手段的现代化与自动化。目前涡街流量计信号采集电路和低功耗型转换显示电路已经进入生产阶段,投入了市场。两种网络监控系统也正在现场运行和调试当中,其中网络监控系统己经在沧州自来水厂试运行,目前运行了个月,一切正常。基于协议的网络监控系统也正在河北宏业机械股份有限公

5、司仪表研究所实验室进行调试。本文提出的基于和协议的两种网络监控方式不但适用于涡街流量计也同样适用于其他类型的流量计,在工业测控领域有着广泛的应用前景。关键词涡街流量计,现场总线,协议,组态软件要有一定的升角，来产生涡旋与雷诺数有关，雷诺数Re满足一定条件，让相邻两涡旋错开一定的比值，涡旋的中心点对齐。u 国外研究情况及发展水平：美国宇航局2009年5月公布所选出的50年十佳地球卫星照片,排在十佳第一张的照片是“陆地卫星7号”2007年拍摄的这张照片(图1),它展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向,这正是“冯卡门涡街”。当风或者洋流被岛屿挡住去路时,会出现这种图形。此图片中的这些卡门涡街,是

6、当风吹过太平洋北部向东运行过程中,遇到阿留申群岛时形成的。实际上,也还有另外一些卫星拍摄到了很清晰的卡门涡街照片。2009年2月24日,来自北方的冷空气(可能是来自格陵兰的重力风)遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气,在扬曼因(Jan Mayen)岛附近上空形成了一排排的积云。扬曼因岛阻碍了风的行进,对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样,吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉,然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处,当冷空气从岩石表面刮过时,形成了一连串螺旋状的涡旋,这也正是卡门涡街。在图片的左上角,可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规

7、则的浮冰漂浮着。这张照片是由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。还有两张卫星拍摄的照片,也很清楚地看到了卡门涡街,它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。这些卫星拍摄的卡门涡街照片,引起了人们对冯卡门和卡门涡街进一步了解的兴趣。对冯卡门的成长有很好的影响。冯卡门6岁时就能对5位数的乘法略一思索就报出答案来。父亲对冯卡门最大的帮助和培养是启发他对知识的好奇心。16岁的冯卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院(布达佩斯工学院的前身),他的第一篇论文是在班基教授指导下完成的。这篇论文分析了发动机的一种常见故障进、排气阀门的振动和噪音,1902年冯卡门以优异的成绩大学毕业。1906年去

8、德国哥廷根(Gttingen)大学求学,在普朗特(Ludwig Prandtl1875 1953)教授的指导下,完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文,于1908年获得博士学位。哥廷根大学高雅的学术气氛使他着迷,在普朗特和D希尔伯特、F克莱因等科学大师的影响下,打下了雄厚的基础。后来有一次在观看欧洲飞行表演时,引起了对飞机的兴趣,从而开始悉心研究空气动力学,冯卡门的注意力逐渐转移到了航空科学上来。美国塔科玛峡谷桥(Tacoma Nar-row Bridge)风毁事故的惨痛教训,使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。1940年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元,建造了一座主跨度85

9、3.4 m的悬索桥。建成4个月后,于同年11月7日碰到了一场风速为19 m/s的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9 m),直到桥面倾斜到45度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程,它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时,惊异地发现:从1818年到19世纪末,由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索塔科玛桥的坍塌。第二次世界大战结束后,人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始,就有二种不同的意见在进行争论

10、。部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振;而以冯卡门为代表的流体力学家认为,塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面,和流线型的机翼不同,存在着明显的涡旋脱落,应该用涡激共振机理来解释。冯卡门1954年在空气动力学的发展一书中写道:塔科玛海峽大桥的毁坏,是由周期性涡旋的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构,采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸,这些平钣引起了涡旋的发放,使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象,是振动与涡旋发放发生共振而引起的。20世纪60年代,经过计算和实验,证明了冯卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故,是一定流速的流体流经 流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生

11、的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。1911年,德国科学家T.von卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即。Sr是斯特劳哈尔数,它主要与雷诺数有关。当雷诺数为3003105时,Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为 31053106时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3106时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的

12、交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏。这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力,海峡大桥受到毁坏,锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。卡门出身于奥匈帝国个教育学教授的家庭，1902年毕业于布达佩斯皇家工学院，1906年去德国哥廷根（Gttingen）大学求学，在普朗特（Ludwig Prandtl 18751953）教授的指导下，于1908年获得博士学位。冯?卡门1911年时在哥廷根大学当助教，普朗特教授当时的研究兴趣，主要集中在边界层问题

13、上。普朗特交给博士生哈依门兹（Karl Hiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。哈依门兹向普朗特教授报告这一情况后，普朗特告诉他：“显然，你的圆柱体不够圆”。可是，当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。普朗特又说：“水槽可能不对称”。哈依门兹于是又开始细心地调整水槽，但仍不能解决问题。冯卡门当时所做的课题与哈依门兹的工作并没有关系，而他每天早上进实验室时

14、总要跑过去问：“哈依门兹先生，现在流动稳定了没有？”哈依门兹非常懊丧地回答：“始终在摆动”，这时冯卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。在一个周末，冯卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。冯卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。星期一上班时，冯卡门

15、向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说，“这里面有些道理，写下来罢，我把你的论文提交到学院去”。冯卡门后来回忆时，对此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人问我：你为什么在三个星期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢。其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同”。比如：作者：Jennyfool卡门涡街是流体遇到障碍物时在障碍物后产生两

16、道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多冯卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街。图一中即为圆柱障碍物后（下游）的卡门涡街。一方面，卡门涡街会引发障碍物的震动，在桥梁设计，高层建筑设计中都必须要考虑到；另一方面卡门涡街会使障碍物后方流体形成一个反向的流动，根据作用力反作用力原理（动量守恒），这会使障碍物受到一个阻力。在空气中因为气体密度很小这股流动的作用力不是很显著，但换成水流这个力就不可小视了。一个直观的理解就是如果人在水里把水往怀里抱，水向

17、自己流，自然就会受到一个与水流方向相反的力。可是这跟鱼有什么关系？有人一定想说，“我知道了，鱼要避免这样的情况产生，所以都进化出了流线型，不会在身后产生卡门涡街。”对了一半，鱼的流线型的确避免了产生阻力的卡门涡街，但是它瞄准了这个力，想要为自己所用。怎么用呢？我们来帮鱼想一想，首先，肯定是想要一个推力，而不是阻力，所以造成的水流的方向应该是向后，而不是向前；然后，联系之前关于卡门涡街的分析，正常方向的卡门涡街内的漩涡会产生向前的水流，那想要向后的水流是不是把旋转方向反一下就好了？Bingo！就是这样。鱼儿正是通过不断摆尾来在身后制造了“反卡门涡街（reverse Karman vortex s

18、treet）”，使身后的水流向后，对自身施加向前的推力。这就相当于鱼儿给自己装了一个喷射装置，不断地向后喷水，以达到将自身向前推进的目的。4. 提出解决问题的两条技术路线，并比较其优缺点1) 第一条路线：流量计实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计，就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定，此时，涡旋的频率f与流体的流速v及涡旋发生体的宽度d有如下关系：f=St(v/d)其中St为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。卡门涡街流

19、量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达1%(指示值)；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达400；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。2) 第二条路线：分类：l 优缺点：卡门式涡街流量计的优点：可在很宽的流量范围内精确测量气体、液体和蒸汽的流量而不受流体物理性质的影响。不受温度、压力的影响，同时不易堵，不易卡，不易结垢，耐高温，高压，安全防爆，适用于恶劣环境无可动部件、无孔洞缝隙设计，产品无磨损、耐脏污，无须机械维修，使用寿命长采用微功耗高新技术,电池供电的现场显示型流量计,可不断电运

20、行两年以上;温压补偿一体化设计;电流输出均为电隔离型,具有良好的共模干扰抑制能力;同时显示流量值与累计流量值,不必轮流切换。采用抗振动探头，有效消除外界振动影响。电路采用表面贴装工艺，结构紧凑，可靠性高。采用分体式信号转换器，电缆最长10米。量程比宽达20：1仪表整体结构设计合理，动态测量范围宽，压力损失小表体采用不锈钢材质，可适用于腐蚀性介质的测量；现场液晶显示，脉冲、420mA输出或485通迅，可与工业自动化系统连接；涡街流量计与节流式流量计的优缺点 (1)涡街流量计的优点与节流式差压流量计相比，涡街流量计有如下优点。结构简单、牢固、安装维护方便。无需导压管和三阀组等，减少泄露、堵塞和冻结

21、等。精确度较高，一般为(11.5)%。测量范围宽，合理确定口径，范围度可达20:1。压损小，约为节流式差压流量计的1/41/2。输出与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移。在一定雷诺数范围内，输出频率不受流体物性(密度、粘度)和组成的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状、尺寸有关。(2)涡街流量计的局限性对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。口径越大，分辨率越低，一般满管时流量计用于DN400以下。流体温度太高时，传感器还有困难，一般流体温度420。当流体有压力脉动或流量脉动时，示值大幅度偏高，影响较大，因此不适用于脉动流。(3)节流式差压流量计优点节流式差压流量计中的标准孔板结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，价格低廉。无需实流校准就可使用，这在流量计中是少有的。适用范围广泛。既适用于全部单相流体，也可测量部分混相流，如气固、汽液、固液等。(4)节流式差压流量计局限性测量精确度在流量计中属中等水平。由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。范围度窄，由于仪表信号(差压)与流量为平方关系，一般范围度仅3:14:1。现场安装条件要求较高，如需较长的直管段(指孔板、喷嘴)，一般难以满足。节流装置与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄露、堵塞及冻结、信号失真等故障。最近几年发展起来的一体型节流式差压流量计，虽然仍有引压管线，但长度不足1m，因而减小了这方面的缺陷。压