為了提高渦街流量計的抗干擾性和穩(wěn)定性并保證測量精度,提出了一種基于管壁差壓的旋渦頻率檢測新方法.在水和空氣不同管內流動介質的情況下進行了系統(tǒng)實驗.應用旋渦動力學和流體阻抗法,分析了取壓位置和引壓管頻率特性因素對該方法測量性能的影響.實驗結果表明,在旋渦發(fā)生體下游的一定距離內,取壓位置對該方法的斯特勞哈爾數和儀表系數的影響很小,較靠近旋渦發(fā)生體迎流面的地方可測流量下限低.引壓管的長度應盡量短,并且保證其固有頻率與渦街頻率相差較大.該方法簡便可靠,適應性強,測量下限低.
旋渦頻率的檢測是渦街流量計的關鍵技術,壓電晶體法是目前*為常用的檢測方法.但是壓電晶體檢測法存在兩個嚴重的問題:1)壓電晶體對管道的振動較敏感.2)壓電晶體長期使用的穩(wěn)定性較差.為了解決上述問題,研究人員從傳感器的結構形式[1-2]和流量信號的分析處理[3-4]等方面進行了**深入的研究,取得了大量的成果,但是都難以從根本上予以解決.
文獻[5]根據流體力學基本原理,在對渦街流量計流場數值仿真的基礎上,提出了渦街流量計旋渦頻率檢測的管壁差壓法,并對在不同管徑方向的取壓位置也作了研究.研究表明,該方法簡便可靠,不干擾管道內的流動,抗干擾性強,從而形成一種新型的渦街流量計,即管壁差壓式渦街流量計.本文在已有的研究基礎上,應用旋渦動力學和流體阻抗法的有關原理,從取壓位置和差壓檢測系統(tǒng)兩個方面入手,分析了各種因素對管壁差壓式渦街流量計測量的影響,提出了相應的解決方案,為優(yōu)化測量提供了指導.
1 測量原理與特點
在渦街流量計中,有旋渦產生的地方必有壓力的變化,交替產生的旋渦必然會導致附近流場的壓力出現規(guī)則的變化,其變化的頻率與旋渦的頻率一一對應,因此可以通過檢測發(fā)生體尾流中某確定的兩點間的波動差壓來測量旋渦頻率,從而實現流量的測量.由于發(fā)生體兩側對稱點上的相位差為180°,且振動幅度和頻率相等,因此將差壓取壓位置選取在管壁上的對稱點更利于檢測,如圖1所示,其中圖1(a)、(b)分別為沿著管道軸向和徑向的截面圖.
數值仿真和實驗結果都表明,與目前常用旋渦頻率檢測方法相比,管壁差壓法具有以下明顯優(yōu)勢:
1)引壓系統(tǒng)對管內待測介質流動幾乎沒有影響;2)傳感器系統(tǒng)獨立于旋渦發(fā)生體,并且位于管道外面,維修和更換時不需要切斷管流拆卸旋渦發(fā)生體,可以實現傳感器在線維修和更換;3)與壓電晶體法相比,具有較強的抗干擾性;4)可測流量下限低.
2 實驗過程與裝置
在管內流動介質分別為水和空氣的情況下均進行了實驗,整個實驗測試系統(tǒng)由動力設備、穩(wěn)壓設備、標準流量表、前直管段、實驗段和后直管段6部分組成.管道的內直徑D=50 mm,旋渦發(fā)生體的橫截面為梯形,迎流面寬度d=14 mm,管壁差壓的取壓孔選擇在發(fā)生體后的三對不同位置1、2、3,它們分別位于距發(fā)生體迎流面0.2D、0.5D、D的下游,其中D為管道內直徑,如圖2所示.
空氣和水實驗時的標準流量表分別為鐘罩標準流量裝置和電磁流量計,它們的精度均為0.5級.測得的管壁差壓經過放大,由數字示波器記錄保存,再導入計算機進行處理分析.
3 取壓位置的影響
3.1 渦街流量計內的旋渦特性
由于管壁的約束,渦街流量計中旋渦的產生和脫落特性并不和自由流場中的情況完全相同.Pan-kanin等人[6]經過研究認為渦街流量計中旋渦發(fā)生體下游的旋渦區(qū)可以分為3個區(qū)段,即密集發(fā)展段、穩(wěn)定段和旋渦消散段.
在密集發(fā)展段,旋渦旋度Ω(即渦量)沿流動方向x的變化規(guī)律為
式中:v為管內平均流速,D為管道內直徑,d為旋渦發(fā)生體迎流面寬度,xs為密集發(fā)展段的長度.在穩(wěn)定段,旋渦旋度為
式中:xk為密集發(fā)展段和穩(wěn)定段的總長度.
由于d、D、xs和xk均為常數,根據式(1)、(2)可見,不論是在密集發(fā)展段還是在穩(wěn)定段,旋渦旋度Ω都是正比于流速v,且隨x的增大而減小.在旋渦消散段,由于流層之間的相互作用能量逐漸消耗,旋渦逐漸消失.
3.2 不同取壓位置的實驗結果與比較
3.2.1 斯特勞哈爾數和儀表系數 渦街流量計用于測量的前提條件是在一定的雷諾數Re范圍內儀表系數K保持為常數,對于渦街流量計,由于K與斯特勞哈爾數St存在如下關系:
因此要求在一定的雷諾數Re范圍內St保持不變.不同流動介質、不同取壓位置的St與Re的對應關系如圖3(a)、(b)所示.各種情況的St基本上保持為常數,且它們的值均相等,約為0.253.各種情況的儀表系數列于表1,它們之間的*大相對誤差小于1%,這表明在旋渦發(fā)生體后一定的距離內,流動介質和取壓位置對管壁差壓式渦街流量計的測量影響很小.
3.2.2 *小可測流速 渦街流量計測量下限的拓展一直是研究的熱點.各種情況的*小可測流速及常規(guī)渦街流量計的測量下限列于表2.在實驗中,越靠近發(fā)生體,旋渦的旋度越強,測量的靈敏度越高,不論是水還是空氣,*小可測流量都是隨取壓位置的后移而增大.當測量水時,位置1的測量下限僅為常規(guī)表的52%;當測量空氣時,位置1的測量下限為常規(guī)表的75%,因此采用管壁差壓法能有效地降低渦街流量計的測量下限,將取壓位置適當靠近發(fā)生體能進一步降低測量下限.
4 引壓管的影響
4.1 引壓管動態(tài)特性的數學模型
根據流體阻抗法的集中參數模型,若差壓傳感器兩根引壓管的平均長度為l0,平均導納為Yl0,輸入的管壁正弦脈動壓力差Δpi=pi1-pi2,則傳至差壓傳感器的差壓為
式中:為引壓管單位長度的傳播常數;Z和Y分別為單位長度的串聯阻抗和并聯導納;Zc=為管路的特性阻抗;δ為差壓測量的*誤差;Kp為壓力脈動影響系數.
文獻[8]指出在兩段引壓管長度較短且相差不大,差壓傳感器壓力腔室很小的條件下,當輸入差壓脈動頻率f低于引壓管的基本頻率f0的1/2時,Kp<0.03,δ值較小;當f>0.5f0時,Kp隨f的增加而顯著上升,δ值較大.
4.2 管壁差壓平均幅值的測量偏差與討論
管壁差壓平均幅值聀定義為
式中:pmax,i、pmin,i分別為第i個旋渦周期內管壁差壓的*大值和*小值;N為檢測的總周期數.
值反映了旋渦強度的大小,應隨流量的增加而增大.實驗與qV的關系如圖4所示,當圖4(a)中給出的是流動介質為水時,從3對不同取壓位置測量的隨qV的分布情況,可見3條曲線均隨qV的增加而單調遞增,較好地符合了理論預測;圖4(b)中所示的是流動介質為空氣時的情況,3條曲線的形狀相似,當qV<83 m3/h,隨流量的增加而增大,在qV=83 m3/h附近取得極大值,當qV>83m3/h,不再隨流量的增加而增大,而是急劇下降直至qV>120 m3/h后逐漸平緩遞增.當流量qV=83 m3/h時,旋渦頻率f=213 Hz,K=2.568 0 Hz·h/m;引壓管的長度l=0.20 m,根據文獻[8],其固有頻率f0=c/(4l)=425 Hz,c為引壓管中介質的聲速,則f=0.5f0.當qV>83m3/h,f>0.5f0,Kp隨f的增加而顯著上升,差壓測量的*誤差δ值增大.因此較低的引壓管固有頻率阻礙了測壓系統(tǒng)對動態(tài)管壁差壓的響應,從而造成較大的測量誤差,與理論關系不符.為了克服或減小引壓管對測量的影響,應盡量縮短引壓管的長度.但是管壁差壓幅值的誤差并沒有影響頻率的測量,對St和K的影響甚小,也即流量的測量幾乎不會受影響,說明管壁差壓法的強適應性和穩(wěn)定性.
5 結 論
(1)在發(fā)生體下游的一定距離內,取壓位置對管壁差壓式渦街流量計的斯特勞哈爾數和儀表系數的影響很小;
(2)管壁差壓式渦街流量計的測量下限隨取壓位置的不同而顯著變化,在旋渦發(fā)生體后的一定范圍內,較靠近發(fā)生體迎流面的地方測得的*小流速低于遠離迎流面的地方;
(3)引壓管的響應頻率對管壁差壓式渦街流量計的測量有著重要的影響,為了保證準確測量,應盡量縮短引壓管的長度,并且保證引壓管固有頻率與渦街頻率相差較大.
由于工業(yè)現場的流動狀態(tài)遠比實驗室里的復雜,因此進一步的研究工作將圍繞著該方法在旋轉流、脈動流等惡劣工況下的性能展開.
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