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差压式涡街质量流量计取压位置的研究

发布时间:2017-11-08
 

摘要:在涡街流量计中,流体通过涡街发生体后会产生压力损失及 由旋涡引起的压力波动,根据这一特点,本文提出利用差压检测技术,通过单路差压传感器同时感受由涡街发生体引起的流体双重变化特性,测量流体质量流量的新方法。本文重点对差压检测取压位置进行研究,利用空气和水两种流体介质进行了一系列实验,得到不同取压位置的差压信号与流量关系,确定了能正确测量质量流量的差压取压位置。结果表明,该测量方法结构简单,是测量质量流量的有效方法。
在工业生产过程中,流量是需经常测量和控制的参数之一,质量流量的测量又是其中的重点和难点。利用已有的传统体积流量计,经过改进、完善与提高,发展成质量流量计,是质量流量测量技术发展的一个重要趋势,涡街流量计就是其中的重要代表。国内外相关的研究工作者从20世纪70年代起就开始探讨利用涡街原理测量质量流量的可能性,提出了多种实现方案。目前比较有代表性的有:升力式涡街质量流量计,双路信号差压式涡街质量流量计,复合信号发生体涡街质量流量计,这些测量方法为涡街质量流量计的发展做了很有意义的探索工作,给出了质量流量测量的本质,即测量与流体平均速度U成线性关系的旋涡频率f及与ρU2(ρ为流体密度)成正比的旋涡升力或涡街发生体前后的压力差。第1种测量方法利用压电传感器输出信号的幅值测量旋涡升力,但是旋涡升力对应的信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关,测量准确度难以提高。后2种方法则需要另加一路差压传感器测量涡街发生体前后的压力差,结构复杂,属于多仪表组合测量质量流量。同时,3种方法都用到压电传感器测量旋涡频率,它在工业现场使用时,压电传感器对管道振动较敏感,输出信号中常混有噪声,因此国内外许多研究工作者对涡街信号进行了研究,取得了一定进展,但难以从根本上去除噪声。因此涡街质量流量计要发展,还需要进一步深人的研究,以解决目前测量方法中的问题。
基于差压原理的涡街质量流量计,是作者提出的一种新的质量流量测量方法,这种方法根据流体力学原理,结合涡街流量计内流场特点,巧妙利用涡街发生体具有的流量特性和阻力特性,通过单路差压传感器同时感受由涡街发生体引起的流体双重变化特性,测得质量流量,具有较好效果。在文献中,对本方法在理论上,数值仿真等方面作了详尽的论述,并通过初步实验,验证了该方法的可行性。而差压检测取压位置的选取问题,是质量流量测量中需要考虑的一个重点问题,它直接影响到测量精度,因此,本文对差压检测取压位置进行研究,得到不同取压位置的差压信号与流量关系,确定了能正确测量质量流量的差压取压位置。
2、测量原理
涡街流量计是依据流体振动频率与流速有对应关系的原理进行工作的。在流体管道中插人一定形状的旋涡发生体,当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街 涡街频率正比于管道内流体速度。传统的涡街体积流量计利用压电传感器测量涡街频率,从而得到体积流量。对涡街发生体附近的流场作进一步分析,可以看到,涡街发生体不仅使流体流过后发生分离,产生涡街,它还具有阻力特性,使流体流过涡街发生体后产生压力损失。利用涡街发生体的这两个特点,通过上下游差压测量可 以得到质量流量。
涡街质量流量计测量原理如图1所示。

在涡街发生体的上下游管壁各设置一取压口。上游取压口用于检测流体在通过涡街发生体前的静压,这时的压力是一稳定值;下游取压口测量得到的压力反映了流体流过涡街发生体后的压力损失及产生旋涡后引起的压力波动,如图2所示。

上下游的差压信号则包含了上游和下游的综合信息。差压波动的频率f为涡街频率,与流速U成正比,可简单表示为:
f=K1U   (1)
式中:K1与斯特劳哈尔数,涡街发生体形状、尺寸等参数有关,在一定雷诺数范围内为常数。上下游差压△P的平均值△P即为流体流过涡街发生体后的压力损失,可表示为:
△P=K2ρU2   (2)
式中:K2与压力系数Cp有关,在一定雷诺数范围内为常数,ρ为流体密度,将式(2)除以式(1)后可以得到:

K3也可视为常数,所以△P/f正比于ρU。质量流量qm可表示为:
qm=ρUA   (4)
式中:A为流体管道的截面积。比较(3)式(4)式,可得:

式中:Km即为仪表的质量流量系数,即仪表系数,是一个与旋涡发生体形状、尺寸、上下游取压孔位置等有关的物理量。可见,只需要一路上下游差压信号,从中取出差压的平均值和差压的波动频率,就可得到流体质量流量。
要正确测量质量流量,Km必须在一定雷诺数范围内保持常数。上下游取压孔位置对Km的取值特性有直接影响,因此只有确定正确的差压取压位置,才能保证质量流量的测量精度。
3、实验装置
根据现有的实验条件,选用了口径为50mm的涡街流量计,并根据仿真计算结果,初步确定差压取压孔位置范围,在上游离发生体1D、0.5D位置处,设置了2个取压点:P0,P0',在下游有P1、P2和P3共3个取压点,,具体位置见图3所示。

为了与目前广泛采用的压电传感器旋涡检测方法相比较,在此涡街流量计中安装了压电传感器,并且经过标定,该涡街流量计准确度为1级,标准体积流量系数Kv为9217.08脉冲数/m3。
流动介质为空气时,在钟罩式气体流量标准装置上进行实验。钟罩式气体流量标准装置在国内外大量应用,是气体流量计量的传递标准和气体流量计检定的主要设备之一,是以经过标定的钟罩有效容积为标准容积的计量仪器。实验使用的钟罩式气体流量标准装置参数为:工作压力5kPa,标准容积2000L,准确度0.5级.流量范围在15~180m3/h之间。
流动介质为水时的实验装置是一循环的水管路,管道流量范围为3~20m3/h。在实验管道中安装一电磁流量计作为标准流量表,给出进入实验段的水流量标准值,整个实验装置经过浙江省质量技术监督检测研究院标定检测,标准表法装置总误差为0.5%。
涡街流量计中的差压检测和一般节流式流量计中的差压检测不同,在此差压传感器要测出压力差的大小和压力的波动性。因此,差压传感器在选取时要求能满足2个要求:一是差压量程和差压测量精度;二是具有良好的动态响应特性,能够快速不失真的反映差压信号动态变化。在实验中采用了硅压阻传感器,进行差压检测,较好的满足了动态响应和测量精度的要求。
从管壁取得的差压信号经差压传感器转化为电信号,经过信号处理后得到涡街频率和质量流量。信号处理框图如图4所示,差压信号经过放大后,分为两路,分别求得差压信号平均值和差压信号频率,通过除法运算后可得到质量流量。

4、实验结果
针对空气和水两种不同介质,在不同的流速范围,不同的取压位置进行了一系列实验。
在下游P3位置,实验中观察到信号稳定性较差,这是因为P3点远离涡街发生体,旋涡在向下游运动过程中逐渐耗散,强度减弱,影响了信号质量。所以最后重点测量了P0-P1、p0-p2、p0'-p1和p0'-p2之间的差压。
4.1上下游差压信号                        
在不同取压位置P0-P1、p0-p2、p0'-p1和p0'-p2测得的差压信号如图5所示,介质为空气。从差压时域波形中可见,差压信号是正弦波,反映了流体通过涡街发生体后生成旋涡引起的流场振动特性。功率谱图中的主峰频率即对应涡街频率,主峰较锐,说明差压信号具有较好的信噪比,为后续信号处理带来很大方便。差压平均值反映的是流体通过涡街发生体的上下游压力损失,随流量增加,平均值会上升。从信号时域波形来看,在旋涡发生体上游一定范围内,不同位置对信号影响不大,P0位置相比P0'稳定性稍好些,因为P0远离涡街发生体,压力更稳定。下游位置靠近发生体的P1位置比P2置取得的信号质量要好,波形规则。即靠近发生体旋涡能量强,受到的干扰较小。因此,从信号质量来说,下游取压位置靠近涡街发生体具有较好的效果。同时,从功率谱图中可以看到,P0-P1位置谱峰幅值最大,检测到的旋涡能量最强。

4.2不同位置差压频率与流速关系
不同位置测得的频率值与流速关系,几乎相同,因此图6只给出了P0-P1差压频率与流速关系。通过差压检测计算得到的涡街体积流量计仪表系数K值及相对误差如表1所示.

可见,不同位置取压对涡街频率的测量基本上没有影响,频率与流速成相同的线性关系,具有相同的测量精度。
4.3不同位置差压平均值与流速关系
差压信号平均值的大小反映了流体流过涡街发生体后的压力损失,与流体密度及流速有关。为了更好的表示差压信号平均值与流速关系,通过图7(a)和(b)分别表示。从图中可见,差压平均值与流速之间近似为二次方关系。图7(a)是下游不同位置比较,P1和P2均处于静压的下降沿,即流体通过涡街发生体后,压力下降,且P0-P2差压值略大于P0-P1位置。图7(b)是上游取不同位置得到的差压平均值的比较,从图中可以看到,当上游取压点位置靠近涡街发生体,上游的静压值开始下降,p0'-p1取得的差压小于P0-P1位置的差压。

在上述式(2)中,K2与压力系数Cp有关,式(2)又可表示为式(6)形式,

上下游差压系数Cp必须保持恒定,才能正确测量质量流量。在实验中通过Cp值与流体雷诺数关系来恒量Cp值的这一特性。

图8显示了不同位置差压系数与雷诺数关系。从图8(a)中可见,P0-P1位置Cp值与介质无关,空气和水具有最好的重合度,且在一定雷诺数范围内保持常数。当雷诺数<3.5×10^4,Cp值随雷诺数的减小而增大,不再保持恒定,这时会对质量流量的测量产生影响,所以测量时要考虑测量下限。而其他位置,空气的Cp值略大于水的Cp值,且Cp保持常数的雷诺数下限均高于P0-P1位置。因此,在P0-P1位置差压平均值的差压系数,优于其他位置。
根据以上实验结果,可以得到在P0-P1位置取得的仪表系数Km相比其他位置波动较小,当Re>3.5×10^4时,计算得到空气和水的Km均为90.6(kg/h)/(Pa/Hz)。利用得到的仪表系数进行实际检测,质量流量相对误差在1%以内。
5、结论
通过空气和水两种流体介质进行实验,结果表明:上游取压在涡街发声体前0.5D~1D位置,下游取压在涡街发声体后0.5D以内,都可获得稳定的差压波动信号。差压信号的频率即涡街频率,与取压位置无关,而差压平均值与取压位置有关。质量流量计仪表系数最终与取压位置有关,在上游1D下游0.2D位置取差压得到的仪表系数相比实验的其他位置波动较小,基本保持恒定,具有较好的测量结果。且在这一位置空气和水两种介质具有相同的仪表系数,给仪表定标带来方便。