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                      渦街流量計

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                      渦街流量計不同流速及流量限制問題的研究

                      來源:作者:發表時間:2016-11-02 10:09:33

                       摘 要:與孔板相比,渦街流量計在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面,有很大的優勢,是目前氣體和低粘度液體的非常好的選擇之一。但是渦街流量計在某些方面具有技術難點需要克服。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一些限制問題,提出了一些解決方案及實施效果。

                       
                      0 引言
                      流量計是指示被測流量和在選定時間間隔內流體總量的儀表。流量計的種類類別非常多,利用的測量原理也各不相同,有力學原理、熱學原理、電學原理及光學原理等。當前, 在氣體及低粘度液體流量計選型中, 由于孔板流量計有悠久的歷史背景,各種試驗數據齊全。結構簡單,無可動部件,標準化程度高,可不必進行實流標定等優點,被廣泛使用。
                       
                      孔板流量計屬于差壓式流量計,流體流過管體內的節流裝置,在節流裝置周圍產生收縮,利用壓力差來測量流體流速??装辶髁坑嫷墓澚餮b置為孔板,即中央開有圓孔的金屬板,其結構如圖1 所示。安裝時將孔板垂直放置在管道中,測取孔板前后兩端的壓力差,用傳感器把感知的壓力差轉換為電壓量,然后與壓差計相連,即構成孔板流量計。由于孔板流量計是通過產生壓力損失進行流量檢測,所以壓力損失較大,通常高達10 ~ 20kpa。由于孔板流量計的流量系數與雷諾系數有關,它的測量范圍比較窄,量程范圍一般為3:1 ~ 4:1,而且孔板流量計在實際應用中,由于安裝復雜,整個壓力傳遞路徑中易受到泄漏、冷凝壺及下游導壓管位置偏差、孔板同心度、垂直度等眾多因素的影響,實際精確度難以確定。
                      實際的標準孔板
                       
                      因此,為了解決孔板流量計在測量時存在的諸多問題,SCLUGB渦街流量計應運而生。
                       
                      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,三暢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。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,精度一定有保證。但是一旦不能正常工作,產生的測量誤差將非常大,甚至連流量的變化趨勢都不能指示,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。因此,流量減小時,渦街信號以2 階關系急劇減弱,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 渦街流量計的工作原理
                               在日常生活中經常能看到渦街現象,比如風中的旗幟,由于旗桿產生的渦街而擺動,風越大,旗幟擺動越快--擺動頻率與風速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設計均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原理,在管道中插入合適大小和形狀的柱體(即渦街發生體)。當流體流過時,在渦街發生體后兩側產生交替排列的漩渦,這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比??捎孟率奖硎荆?/div>
                       QQ截圖20161102101822.jpg
                      式(1)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(Strouhal number),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就可以計算出流過渦街發生體的流體平均速度v,再由下式 :
                       QQ截圖20161102101826.jpg
                      可以求出流量q。其中,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。傳感器包含渦街發生體、檢測元件等;轉換器包含有放大電路、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。目前采用較多,反饋好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、超聲波和應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了,把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強、體積小、長期運行精度高,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
                               基于渦街流量計的原理,流量信號的強度與流量的平方成正比,即流速降低時,渦街信號將以平方關系急劇下降。圖2 顯示流量由零增大時,渦街信號的波形記錄。在相同條件之下,1m/s 流速的氣體產生的漩渦力僅是5m/s 流速時的1/25。為保證小流量的檢測,必須具備較高的漩渦振動檢測靈敏度,將流量信號放大數千倍,由此導致三暢渦街流量計對于蒸汽管道的振動極為敏感,無流量時指示的實際為振動干擾信號,這是渦街流量計在實際應用中好大的問題。
                       渦街信號特征(流量從零起增大)
                      渦街流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率f,由此得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大電路和觸發裝置,將漩渦頻率好終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次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均可以進行調整。如圖3 所示。
                       渦街流量計原理圖
                      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,所以改變A 或者U 的效果是相同的[2]。如圖4 所示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號,必須使得觸發器輸入的有效信號u 遠大于噪聲信號。因此,渦街流量計正常工作的必要條件是:E > u > V。當SCLUGB渦街流量計測量低流速、小流量流體的時候,依據上述分析必須提高信噪比,盡量提高輸入流量的有效信號降低機械振動產生的干擾信號的幅值。因此,可以修正阻流體的結構形狀,使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率,這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的辦法是在漩渦發生體的兩端分別安裝1 對對稱的壓電晶體,采用差動式的壓電傳感器感知信號,并利用差動放大電路來放大信號,如圖4 所示。由于電路中機械振動產生的干擾對2 塊壓電晶體的作用力是一致的,并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的,所以干擾產生的信號通過差動放大后,機械振動信號因為相同而相互抵消削減,而2 塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是,大大降
                      低了機械振動信號的干擾。
                       差動放大原理圖
                      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,而采用在線實時頻
                      譜分析時發現:80 及其以下的管線,經常出現高于80m/s 的高流速,其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。一般的三暢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,所以也難于判斷超高流速的大小。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。
                       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)。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PicoScope 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。
                       
                      5 結束語
                      由于渦街流量計容易與數字電子設備配套使用,所以是一種比較先進、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。
                       QQ截圖20161102102108.jpg
                      因此,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比較高的要求。針對這個問題,本文做了相應的探討。為了使三暢渦街流量計盡可能測量低流速、小流量,必須提高信噪比,采用差動壓電傳感器和差動放大電路,盡量提高有效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,采用頻譜分析和動態濾波的方法,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(a)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(b)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(a)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。
                      高流速時的頻譜分析圖
                      處理后的流量計信號
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