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利用管壁差压检测涡街流量信号的研究

时间:2018/04/24来源:未知

摘要:现有涡街流量计传感器系统结构复杂, 容易干扰旋涡尾流 , 需要离线维修和更换, 对连续生产过程十分不利。 根据涡街流量计的基本原理, 提出了在管壁上安装差压传感器, 通过检测旋涡发生体后管壁处的差压信号的频率来检测涡街流量信号的新方法。 实验结果表明, 这种方法不仅具有原理简单, 准确度较高, 工作可靠, 成本低,抗干扰性较强, 在一般工业测量中易实现等特点, 而且能够简化涡街流量计传感器系统, 消除传感器对尾流的影响, 实现传感器在线维修和更换。
 涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表, 具有结构简单 、无可动部件、可靠性好、准确度高、范围度宽、适用介质广等其他流量计无法同时具备的优点[ 1, 2],因而发展迅速, 应用日趋广泛 。测量原理如图 1 所示,管道中垂直插入一非流线型对称形状的旋涡发生体,当流体绕过发生体时,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡, 频率为f 。流体的体积流量 Q 与旋涡频率 f 符合以下公式[ 3]:Q = f/ K 式中 K 为流量计的流量系数 。在一定雷诺数范围内K 为常数 ,体积流量 Q 与旋涡频率f 具有线性关系 。因此,只要测出旋涡频率 f , 就能求得体积流量 Q 。
  如何准确地检测出旋涡频率信号, 简化涡街流量计传感器系统 , 是涡街流量计的关键, 一直以来是国内外研究的热点之一 。如张宏建、徐科军等提出多种信号处理方法对涡街流量信号进行处理,以抑制干扰提高测量准确度[ 4, 5];Hans 、Lavante 等通过改变旋涡发生体形状来提高输出信号质量[ 6 ~ 8],但是二次旋涡(secondary vortex)问题一直未能很好解决;Miau 等设计了一种 T 形旋涡发生体以利用差压原理来检测旋涡频率[ 9], 然而发生体形状复杂 ,不便于实际应用 。
图 1 涡街流量计原理图
图 1 涡街流量计原理图
  根据涡街流量计的基本原理, 本文提出在管壁上安装差压传感器, 通过检测尾流中贴近管壁处的差压信号的频率来检测旋涡频率。为了区别其他差压法,以下称之为管壁差压法。这种方法不仅具有原理简单 ,准确度较高 , 工作可靠, 成本低, 抗干扰性较强,在一般工业测量中易实现等特点 , 而且能够简化涡街流量计传感器系统, 消除传感器对尾流的影响 ,实现传感器在线维修和更换 。实验结果表明, 通过选择合适的取压位置, 采用管壁差压法检测旋涡频率是可行的 , 并且具有较强的抗干扰性。

1、涡街流量信号的检测方法:
  常用的涡街流量传感器可以分为一体式和分体式两类:一体式的检测元件放在旋涡发生体内 ;分体式检测元件则装在旋涡发生体下游 。它们均利用旋涡产生时引起的波动进行测量, 常用的检测方式有[ 10]:
  ①用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压的波动;
  ② 旋涡发生体上开设导压孔 ,在导压孔中装检测元件检测发生体两侧差压的波动;
  ③ 检测旋涡发生体周围交变环流的变化;
  ④ 检测旋涡发生体背面交变差压的波动;
  ⑤ 检测尾流中旋涡列的变化。
  根据这5 种检测方式, 可采用的检测元件(如热敏 、超声、应力、应变、电容 、电磁 、光电、光纤等),从而构成不同类型的涡街流量计 。这些方法各有特点 ,其中存在的共同缺点是 :传感器系统结构复杂,容易干扰旋涡尾流(如分体式),传感器与发生体结合在一起, 更换传感器时一般需要切断管流 ,同时拆下旋涡发生体,这对连续生产的过程十分不利。
  差压法由于具有原理简单, 操作简便, 准确度较高 ,工作可靠,成本低 ,在一般工业测量中易于实现等特点, 因此被广泛使用。常用检测方式 ①、②和④都利用了差压法原理,但是现有方法要么需要增加旋涡发生体加工的难度 ,要么容易扰乱旋涡尾流。作者提出在管壁上安装压力传感器,通过检测尾流中贴近管壁处的差压(即管壁差压)周期变化的频率来检测旋涡频率。由于取管壁差压时取压装置简单并且对管流几乎没有影响,加之传感器系统独立于旋涡发生体且位于管道外面 ,维修和更换时不需要切断管流拆卸发生体,因此采用管壁差压法检测旋涡频率不仅可以简化涡街流量计的传感器系统,而且能够实现传感器在线维修和更换 , 不需要中断生产 。
  采用管壁差压法的关键在于选择合适的取压位置 ,即要求测得的差压变化频率稳定 ,有规则, 并且差压幅值较大。

2 、涡街流量计流场的数值仿真:
 为了确定最佳取压位置 ,作者采用世界先进的Computational Fluid Dynamics(CFD , 计算流体力学)分析软件 FLUENT6.0 以及前处理网格生成软件GAMBIT2.0 , 对典型的涡街流量计流场进行数值仿真。
图 2 管道和发生体的二维计算模型
图 2 管道和发生体的二维计算模型
  在仿真中 ,置有涡街流量计的管道被简化为具有圆形进出口边界的轴对称三维几何模型 。图 2所示为 y =0 截面(y 轴方向垂直纸面向外)管道和发生体的二维示意图 ,发生体位于 x =100 mm 处 .为了真实地模拟实际流动状况 ,计算采用非结构化网格, RNG k -ε雷诺平均模型 。环境压力为大气压,即 101 325 Pa ;管道进口定义为沿管道轴向均匀速度入口, 其它方向的速度为 0 , 出口定义为压力出口。不同流速的流动情况通过改变平均流速 v来模拟 。各求解变量收敛标准均为残差值小于0.001 。为了使得每个周期内取样点的数目不小于10 , 时间步长随入口速度的不同而相应改变 。
  仿真流体采用空气, 温度为室温(293 K), 压力为一个标准大气压(101 325 Pa),其物性参数如下 :密度ρ=1.225 kg/m3, 动力粘度 μ=1.789 4 ×10-5Pa·s 。

3、实验装置与过程:
  实验采用口径为 50 mm 的气体涡街流量检测装置,旋涡发生体截面为梯形 , 迎流面宽度为 14mm 。流量通过钟罩式气体流量标准装置读出 。旋涡频率信号的检测同时通过两种方式:
  ①置于旋涡发生体后的压电传感器, ② 管壁取压差压法检测,分别如图 3 、图 4 所示 。信号经放大后利用Tektronix TDS 430A 双通道数字示波器记录采样信号。涡街流量计的准确度经标定为 0.5 级 ,流量系数K =2.577 Hz/m3·h .实验条件与仿真定义的条件相同。
图 3 压电法检测旋涡频率示意图图 4 管壁差压法检测旋涡频率频率示意图
图 3 压电法检测旋涡频率示意图图 4 管壁差压法检测旋涡频率频率示意图

4、结果与讨论:
4.1、最佳取压位置的确定:

  在平均流速为 5 ~ 30 m/s 的范围内进行一系列的仿真计算 , 发现对于不同的平均流速 v , 管道内旋涡脱落 、压力场以及速度场的分布情况相似 ,区别仅在于旋涡脱落频率 f 及幅值大小不同 ,以下以 v =25 m/s 时管壁静压沿 x 方向的变化为例分析静压的变化规律 ,寻找最佳取压位置 。
  图 5 所示为 y =0 , z =24 mm 直线上不同 x 处的静压值(坐标系的定义见图 2)。从图中可以看出, 各处的频率 f 稳定且相等, 但是幅值变化较大 。在距发生体迎流面较近处(如图 5 中 x =100 ,125mm), 静压波动的幅值较小 ;当距发生体迎流面的距离介于管径的 1 ~ 1.5 倍之间时(如图 5 中 x =150 , 175 mm), 静压波动的幅值大且均匀稳定 ;当距发生体迎流面的距离大于管径的 2 倍即 x >200mm 时(如图 5 中 x =215 mm), 静压的波动逐渐变得不规则 。
图 5 管壁沿 x 方向静压曲线
图 5 管壁沿 x 方向静压曲线
  根据这一结果 ,可以确定取压的最佳位置在发生体下游距发生体迎流面端面的距离等于管径 1~ 1.5 倍的区间, 在该区间内测得的旋涡信号强且稳定 。

4.2、管壁差压信号频率值的误差:
  根据数值仿真结果 ,实验时管壁差压信号在 x=150 mm 处(即距发生体迎流面 1 倍管径)取得 。由于流体经过旋涡发生体后产生的两列旋涡在管道轴线与发生体轴线构成平面的对称点上振动的强度和频率相同 ,而相位相差 180°, 因此采用两侧取压方式(如图4 所示), 这样差压幅值是单侧取压的 2 倍 ,更便于检测 。通过钟罩式气体标准流量装置改变流量 ,检测在该流量下管壁差压信号, 经信号处理得到管壁差压信号的频率值并计算出它与标准频率的相对误差如图 6 所示 。相对误差 e 按式(2)计算:
计算公式
  式中标准频率由体积流量 Q 乘以流量系数 K(K =2.577 Hz/m3·h)算得。
图 6 管壁差压信号频率值的相对误差

图 6 管壁差压信号频率值的相对误差
  从图 6 中可以看到, 当流量在 39.6 ~ 220.0m3/h 范围变化时, 管壁差压频率与标准频率的相对误差在 L 点时最大(QL=220.0 m3/h , eL=3.79%),其余各点的相对误差均小于 2 %, 其中 C ~ J点的相对误差均小于 1 %。A 、B 两点相对误差较大主要是由于流量较小 ,雷诺数 ReD偏小(ReDA=1.92 ×104, Re DB =2.48 ×104), 不能保证斯特劳哈尔St 为常数 ;而 K 、L 两点相对误差较大可能是由于空气的压缩性引起的, 文献[ 11] 指出随着气体流速的增大 ,气体的压缩性将影响涡街流量计的准确度。整体看来, 管壁差压频率与标准频率的相对误差较小 ,满足一般工业生产的要求, 证明了管壁差压法用于涡街流量计流量检测的可行性和正确性。

4.3、管壁差压与压电信号功率谱的比较:
  流量在39.6 ~ 220.0 m3/h 范围变化 ,同时采集压电信号和管壁差压信号放大后进入 A/D 采样 ,经DFT 变换后计算功率谱[ 12], 功率谱的横坐标为频率 ,纵坐标为功率谱密度PSD(Power Spectral Den-sity), 主要参数指标为主峰频率 , 即众多频率分量中数值最大的一个频率 。一般地对于涡街流量信号来说,主峰频率应当对应于旋涡频率 。
  图7 所示为 Q =85.7 m3/h 时压电信号的功率谱,可以看出压电信号功率谱中有两个谱峰 , 经分析判断可知频率约为 200 Hz 的峰值对应于涡街流量信号,而频率约为 1 100 Hz 的谱峰是干扰信号造成的, 然而该值比流量信号还要强, 这给正确提取流量信号造成了困难 。因此, 在实际应用中压电信号必须经过滤波后才能准确获得涡街流量信号。
图 7 压电信号功率谱
图 7 压电信号功率谱
  图 8 所示为 Q =85.7 m3/h 时管壁差压信号的功率谱,可以看到在整个功率谱中只有一个主谱峰 , 它所对应的就是流量信号 ,这样通过管壁差压功率谱可以准确方便的获得旋涡频率。不同流量下,压电信号和管壁差压信号的功率谱各自相似。流量越小压电信号功率谱中干扰信号峰值与流量信号峰值的比值越大 , 干扰信号对流量信号的影响也越大,则越容易“淹没” 流量信号 ;而在管壁差压信号功率谱中主谱峰总对应于流量信号。
图 8 管壁差压信号功率谱

图 8 管壁差压信号功率谱
  因为管壁取压点选择在流体振动最强的位置 ,并且下游的机械振动和流场波动等干扰对检测信号无影响 ,所以管壁差压信号的功率谱中流量信号强,干扰影响小 。而压电传感器由于放置在管道中, 与管道相联系的各种振动源所产生的干扰都会叠加在压电晶体的输出信号上,可能导致采样电路的误触发, 从而造成频率计数的误差 ,甚至不能正确测量流速 ,在小流量时尤其明显 ,造成准确度明显下降。这一结果表明管壁差压法较之压电法具有更强的抗干扰性 。

5、结论:
  本文根据涡街流量计基本原理结合数值仿真结果 ,提出了利用管壁差压检测涡街流量信号的新方法。实验表明 , 这种方法不仅具有原理简单,操作简便,准确度较高 ,工作可靠,成本低 ,具有较强的抗干扰性, 在一般工业测量中易实现等特点,而且能有效地克服现有涡街流量计传感器系统复杂, 容易干扰旋涡尾流 , 需要离线维修和更换等缺点 。此外,本研究还可作为研制差压式涡街质量流量计的前期工作, 为进一步研究差压式涡街质量流量计如何确定取压孔位置, 选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体等关键技术奠定基础 

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