摘要: 为了优化涡街流量计的测量,在对比实验的基础上比较了压电式和差压式旋涡频率检测方法对涡街流量计测量性能的影响,分析了这两种方法在旋涡频率测量、信号幅度和抗干扰性三个方面的差异。研究结果表明,采用压电式和差压式两种方法测量的流量值接近,两者仪表系数的相对误差为0. 3%;压电式的输出信号与被测流量的耦合关系更紧密,其幅度随着流量的增大成近似二次方增长,而差压式输出信号的幅度在被测流量超过一定值时会出现由差压检测系统的动态响应限制引起的失真;压电式对于管道振动十分敏感,而在一定范围内 差压式的输出信号几乎不受管道振动干扰的影响。
1 引 言
当管道内发生卡门涡街时,旋涡频率与流体平均流速之间存在着线性关系。涡街流量计就是利用这一现象发展起来的一类新兴流量仪表。在涡街流量计中,首先需要测得旋涡频率,再根据有关的关系式计算出管道内介质的流量。所以,旋涡频率的检测是涡街流量计的关键技术。
伴随旋涡的形成和脱落,旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力的周期振荡,依据这些现象可以进行旋涡频率检测。目前,涡街流量计旋涡频率检测方法主要有热丝式、热敏式、电容式、压电式、应变式及超声式等。其中,压电式总体效果最好,最为常用。除了这些方法以外,本文作者又提出了一种通过检测旋涡尾流中贴近管壁处的压力变化来获取旋涡频率的新方法[1~3],即管壁差压式检测法,形成了一种新型的差压式涡街流量计[4]。由于差压式检测法简单、可靠,因此具有广泛的工业应用前景。
本文的研究目的是通过对比实验来比较压电式和差压式这两种主要的涡街流量计旋涡频率检测方法的测量性能———具体分析这两种方法在旋涡频率测量、信号幅度和抗干扰性三个方面的差异,为优化涡街流量计的测量提供有益的借鉴。①
2 压电式与差压式旋涡频率检测法
压电式与差压式旋涡频率检测法的测量原理如图1所示。
压电式旋涡频率检测法是在旋涡发生体内部或外部安置压电晶体,利用压电晶体检测受到的交变应力来测量旋涡频率。交变应力诱导产生交变电荷,交变电荷经放大、滤波、整形后得到与旋涡频率相应的脉冲信号或电压信号。压电式检测法响应快、信号强、制造成本低、可靠性较高,是目前涡街流量计的主要产品类型,已有系列化产品。但是,压电晶体对管道的振动敏感,当流体或管道有振动时,测量会产生很大的误差,甚至无法使用;此外,压电晶体长期使用的稳定性较差,特别是无法在高温下测量。近年来,国内外许多研究人员在传感器结构和信号处理等方面做了大量的工作[5~10],但是都无法从根本上解决上述问题。
差压式旋涡频率检测法基于以下基本事实:有旋涡产生的地方必有压力的变化,交替产生的旋涡必然会导致附近流场的压力出现规则的变化,其变化的频率与旋涡的频率一一对应,所以通过检测发生体尾流中某确定的两点间的波动差压可以用来测量旋涡频率。由于旋涡发生体两侧对称点上的相位差为180°且振动幅度和频率相等[11],因此将差压取压位置选取在管壁上的对称点更利于检测。差压式检测法操作简便、易于实现、工作可靠、反应迅速、灵敏度高,引压系统对管内待测介质流动几乎没有影响。同时,由于传感器系统独立于旋涡发生体并且位于管道外面,维修和更换时不需要切断管流拆卸旋涡发生体,可以实现传感器在线维修和更换。
3 实验系统与过程
实验系统如图2所示。实验时,首先关闭调节阀1,打开调节阀2,开动鼓风机,空气通过导气管进入钟罩,使钟罩上升,当钟罩上升到最高位置时,鼓风机停止送气,关闭调节阀2。停一段时间,待钟罩内温度稳定后,打开调节阀1,让钟罩以一定速度下降,钟罩内气体通过导气管流经实验涡街流量计后排入大气。实验过程中,调节阀1保持全开,通过改变调节阀3的开度来调整流量。利用钟罩内恒定的压力源来保证在调节阀3开度一定时气体以恒定的流量通过实验涡街流量计。
钟罩式气体流量标准装置用于给出实验的标准体积流量值,其参数为:工作压力为5 kPa,标准容积为2m3,准确度为0.5级,流量范围为0~220m3/h。实验涡街流量计测量管内径为50mm,旋涡发生体为梯形,迎流面宽度为14mm。该涡街流量计带有压电传感器,并且在旋涡发生体两侧管壁上开有一对取压孔接差压传感器。实验时,在同一流量下同时用压电传感器和差压传感器进行测量,得到的信号分别保存。此外,在某些流量下还通过轻击管道产生干扰,干扰效果取决于击打的力度、位置和频率。
4 实验结果与讨论
4.1 涡街频率
将采集到的压电信号和差压信号经离散傅里叶变换后计算得到功率谱。功率谱的横坐标为频率,纵坐标为功率谱密度函数PSD,其中最大PSD对应的频率称为主峰频率。一般说来,涡街流量计输出信号的主峰频率对应于旋涡频率,并且主峰越锐表示旋涡信号越强,因此通过功率谱分析能够得到旋涡的频率值。
在不同流量下,通过压电信号和差压信号计算得到的旋涡频率与流量之间的关系如图3所示。为了定量比较两者的差别,分别计算了它们的仪表系数:K压电=9 217.08m-3,K差压=9 244.73m-3,相对误差为0.3%。其中仪表系数K的定义如下:
可见,在同样的流量下,两种信号的频率基本吻合且都与流量成良好的线性关系,也即采用压电式还是差压式检测法对于涡街流量计的测量几乎没有影响。但是,值得强调的是,当流量小于40 m3/h时,旋涡变得非常微弱,此时压电式已难以准确测出旋涡频率;而差压式由于采用的是差动结构,测得的信号较强,因此还能够分辨出旋涡频率直至流量小于20m3/h。
4.2 信号幅度
在测量时,还需要考虑信号波动的强弱,即信号的波动幅度与流量关系,信号幅度的强弱对后续信号处理有较大的影响。图4和图5分别给出了压电信号和差压信号的幅度与流量之间的关系。
压电信号幅度随着流量的增大成近似二次方增长,反映了随着流量的增加,旋涡强度也在不断加大。而差压信号的幅度却在流量超过一定值时出现失真。差压信号的失真主要是由于差压检测系统的动态响应频率限制引起的。差压检测系统可以看作二阶系统模型,其动态响应特性主要决定于检测系统的固有频率,该固有频率与传感器中的敏感元件、测量电路及引压管路有关。一般地,差压传感器及测量电路的固有频率均远高于引压管路系统的固有频率,它们对差压检测系统动态特性的影响很小,所以引压管路的动态特性常常决定了整个差压检测系统的动态响应特性。为了减小失真,应尽量缩短引压管的长度,并且保证测量时所选用的引压管路的固有频率与涡街频率相差较大[2]。
4.3 抗干扰性
实验中,通过击打管道产生干扰以比较压电式和差压式两种检测方法的抗干扰性。图6和图7分别给出了压电信号和差压信号的受扰时域波形。
从图中可见,在振动干扰的作用下,压电信号信噪比降低,而差压信号几乎没有受到影响。这是因为在差压式检测法中通过精心设计取压位置,使取压点位于旋涡分离点附近,这样测得的差压信号不仅能够反映与下游涡街密切相关的流体分离层的实时状态,很好地检测到涡街频率,而且信号强、易于测量。同时,由于差压式检测法采用的是差动结构,那么下游的机械振动、流场不稳定以及其它一些干扰对旋涡信号的影响能够得到部分抵消,从而提高了检测系统的抗干扰性。
5 结束语
(1)在涡街流量计中,采用压电式和差压式两种旋涡频率检测方法进行流量测量,得到的结果十分接近,两者仪表系数的相对误差为0. 3%。在相同的条件下,差压式可测的流量下限较低。
(2)压电式检测法的信号幅度随着流量的增大成近似二次方的增长;而差压式检测法的信号幅度在流量超过一定值时会出现由差压检测系统的动态响应特性导致的失真。
(3)压电式检测法对于管道振动十分敏感,在此类干扰的作用下信噪比明显下降;而在一定范围内差压式检测法的输出信号几乎不受管道振动干扰的影响。
综上所述,涡街流量计的压电式和差压式旋涡频率检测方法各有特点:压电式的输出信号与被测流量的耦合关系更紧密,差压式则流量测量下限更低,抗振动干扰性较强。
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