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    渦街流量計在分歧流速時測量表現及流量限制問題的解析考究

    發表時間:2018-05-04   點擊次數:698 技術撑持:1560-1403-222
     本文概述:
    目前工業生產中流量計的種類類別特别多,基于不同的測量道理進行工作,力學原理、熱學真理、電學真理及光學意思等。
    渦街流量計是種采用卡門(Karman)渦街原理研究生產的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用于工業管道介質流體的流量測量,如氣體、液體、蒸汽等多種介質。特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件,因此可靠性高,維護量小。儀表參數能長期穩定。渦街流量計采用壓電應力式傳感器,可靠性高,可在-20℃~+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號,也有數字脈沖信號輸出,容易與計算機等數字系統配套使用,是一種比較、理想的測量儀器。

    渦街流量計在固有真理、結構、安裝維護、運行費用、能耗等方面,有很大的優勢,是而今氣體和低粘度液體的佳選擇之一。但是渦街流量計在某些方面具有技術難點必要征服。
    本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下,渦街流量計檢測時的少许限制問題,提出了极少解決方案及實施成果。

    渦街流量計

    1  渦街流量計的優缺點
    渦街流量計在諸多應用方面都優于傳統的孔板流量計。比如,孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言,渦街流量計的靜密封點只有 3 個,不容易泄漏 ,它不受流體溫度、壓力還有密度等影響,流量系數長期不變[1]。但是渦街流量計在使用的時候,也存在一些問題。
    1)由于渦街流量計的原始信號為頻率信號,致使渦街流量計實際為一種數字式儀表。它只要能正常工作,精度有保證。但是一旦不能工作,產生的測量誤差將特别大,連流量的變化趨勢不能指示,徹底不能工作。
    2)漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。于是,流量減小時,渦街信號以 2 階關系減弱,而氣體的渦街信號遠低于液體。在用于氣體流量檢測時,因低密度、低流速導致渦街信號微弱,極易湮沒在干擾之中,流量計無法正確識別出漩渦,致使測量失敗。
    3)由于渦街流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力,直接限制了傳感器的結構。針對以上一些問題,下面將做部分探討。

    2  渦街流量計工作原理與結構
    2.1  渦街流量計的工作道理在日常生活中經常能看到渦街現象,譬喻風中的旗幟,由于旗桿產生的渦街而擺動,風大,旗幟擺動--擺動頻率與風速呈正比。有橋墩、煙囪、高樓的設計需考慮渦街的破壞力。渦街流量計就是參考日常生活中渦街現象的真理,在管道中插入合適大小和形狀的柱體。當流體流過時,在渦街發生體后兩側產生瓜代布列的漩渦,這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比。可用下式表示:F=stv/d式中:f 為漩渦的頻率;v 為流過渦街發生體的流體的平均速度;d 為渦街發生體的流面寬度;St 為斯特勞哈爾數,數值的范圍為 0.14 ~ 0.27。測量時,一般假定 St=0.2。由此,通過測量漩渦的頻率可以計算出流過渦街發生體的流體平均速度 v,由下式 :Q=vA  不妨求出流量 q。此中,A 為流體流過渦街發生體的截面積。

    2.2  渦街流量計的結構 渦街流量計的基本結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包括渦街發生體、檢測元件等;轉換器包孕有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換電路等;渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。此刻采用多,反饋好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波、應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了,把微處理器芯片安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強、體積小、運行精度高,可適用于大多數液體、蒸汽和氣體的測量。

    3  小流量、低流速測量的限制問題基于渦街流量計的道理,流量信號的強度與流量的平方成正比,即流速降低時,渦街信號以平方關系着落。

    渦街流量計

    圖 2 顯示流量由零增大時,渦街信號的波形記錄。在條件之下,1m/s 流速的氣體產生的漩渦力是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測,具備極高的漩渦振動檢測靈敏度,將流量信號放大數千倍,由此導致渦街流量計對于蒸汽管道的振動敏感,無流量時指示的振動干擾信號,這是渦街流量計在實際應用中大的問題。渦街流量計的檢測部件使用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f,由此得到電壓信號。此電壓信號必要經過放大電路和觸發裝置,漩渦頻率終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號送入轉換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中,放大器的放大倍數 A 和觸發器的門限電壓可能進行調整。

    渦街流量計

    如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E,噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU,以是改變 A 或者 U 的效果是的[2]。

    如圖 4 所示。要使得觸發器的輸出信號為灵验信號,必須使得觸發器輸入的有效信號 u 遠噪聲信號。于是,渦街流量計工作的须要條件是:E > u > V。當渦街流量計測量低流速、小流量流體的時候,依據上述剖析必須提高信噪比,提高輸入流量的灵验信號,降低機械振動產生的干擾信號的幅值。所以,可能修正阻流體的結構形狀,使傳感器能的接收漩渦的脈動頻率,這樣能够大幅度提高有效信號的幅值[3]。另一種實際有效的辦法是在漩渦發生體的兩端安裝 1 對對稱的壓電晶體,选取差動式的壓電傳感器感知信號,并运用差動放大電路來放大信號,如圖 4 所示。
    因为電路中機械振動產生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是的,并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的,以是干擾產生的信號通過差動放大后,機械振動信號因為而抵消削減,而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。是以,大大降低了機械振動信號的干擾。

    渦街流量計
    4  大流量、高流速測量的限制問題通常認為,管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s,在選擇流量計時,量程達到 60m/s 就已足夠,而采用在線頻譜解析時發現:?80 及其以下的管線,經常出現高于 80m/s 的高流速,个中有近一半的出現超過 100m/s 的高流速,更有甚者,流速高達 180m/s。一般的渦街流量計在流速過高時,因劇烈的漏波現象,出現難以估算的誤差,是以也判斷超高流速的巨细。

    如圖 5 所示,漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象,采用頻譜分析+動態濾波,改善信號波動,消除“漏波”現象。信號可以從時域分析,也可以從頻域分析。時域的信號圖像,是以時間軸為橫軸;頻域的信號圖像,是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重于信號的直觀印象,例如信號的周期,信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析,是采用傅里葉變換,將 X(t)變換成 X(f)[4]。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成分的大小,比時域圖像提供更具體更豐富的頻域圖像。在 Pico Scope 示波器中,可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號,并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中,通常是設計濾波電路對電路進行濾波。在測試測量中,往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素,通過對渦街流量計傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析,得出超高流速時的流量值。
    如圖 6 所示。

    渦街流量計

     5  結束語
    由于渦街流量計容易與數字電子設備配套利用,所是一種比較、抱负的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。所以,當小流量、低流速或大流量、高流速的時候,對渦街流量計提出了高的要求。針對這個問題,本文做了相應的探討。為了使渦街流量計盡可能測量低流速、小流量,提高信噪比,选拔差動壓電傳感器和差動放大電路,提高灵验流量信號的幅值而降低機械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題,拔取頻譜解析和動態濾波的办法,盡量減少漏波現象。


    圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7上部為傳感器輸出的原始信號,下部為放大器輸出信號;

    圖 7為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8上部為傳感器輸出的原始信號,下部為放大器輸出信號;

    圖 8(b)為展開的視圖。
    渦街流量計

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