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旋进漩涡流量计抗振动干扰的实验

旋进漩涡流量计抗振动干扰的实验

点击数:1027次    发布时间:2015年7月20日

      旋进漩涡流量计是近些年来才广泛应用的新技术流量计,它通过测量流体在流量计内部的旋进旋涡进动效应的脉冲频率计算流量。该流量计主要特点是无活动部件,线性测量范围宽,有很好的耐腐蚀性。对测量介质的适应性广,可广泛应用于气体、液体等介质的计量。旋进旋涡流量计本身存在一个缺点,即抗干扰能力差。如果待测系统中存在振动、噪声、压力脉动等干扰,就会引起测量系统误差的增大,造成计量误差,所以提高它的抗振性显得极为重要。目前,旋进旋涡流量计的抗振措施主要有以下三种:

1)从源头消除。该方法要求旋进旋涡流量计必须严格按照安装要求进行安装。远离能产生干扰的零部件,例如:压机、分离器、调压阀、大小头汇管及弯头等,以避免振动及噪声。保持流量计安装位置前后直管段内壁光滑,管道平直,表前直管段长度不小于10d,表后直管段长度不小5d。同时须保证被测流体是单相流体,不含其他杂质。

2)用数字信号处理法(DSP)处理流量传感器的信号。该方法就是对当前广泛采用的从信号采集、放大、滤波、整形、到计数流程的提升,以求准确地将频率信息从含管道振动和流场不稳定等干扰中提取出来,提升流量计测量精度,达到工况要求。

3)对称信号差分处理。本方法主要解决脉动压力差导致的旋进旋涡流量计的测量信号质量问题。在1991年为了降低旋进旋涡流量计量程下限,HeinRichs用集成差分传感器做了相应的实验研究。2000年傅新等人用流体力学仿真法研究旋进旋涡流量计的流场特性,提出通过差分处理法改善对称信号抗干扰性的思路。2002年后彭杰纲等人实验研究了流场干扰对旋进旋涡进动效应的影响,发现旋进旋涡效应的脉动压力与流体脉动产生的压力线性迭加现象,流场脉动干扰使测量传感器输出信号主频移动的现象;通过分析旋进旋涡有效信号和脉动干扰信号的相位,发现轴对称方向的旋进旋涡有效信号相位差接近180°,流体脉动干扰信号相位差接近0°;基于相位判别法和仿真结果,提出旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰的方法。

将对称信号差分处理,能消除流体脉动的干扰,但是对称安装的传感器的位置和距离因素,导致其不能消除管道振动干扰。本文就消除管道振动方面进行了实验研究。在同侧沿轴向安装两个传感器,而且保证安装距离尽可能小,其中一个检测流体脉动和管道振动信号,另一个只检测管道振动,将测得的信号做差分处理,可以消除各种类型的管道振动。

1 旋进漩涡流量计的工作原理

如图1所示,旋涡发生体与流量计壳体固结安装,其作用是使流入流量计内腔的流体旋转起来,旋转速度的切向分量仍然会使流体沿内腔轴线向前移动。流体的旋转和轴向运动复合就产生连续的旋涡流,涡核在中心位置,被外围的环流包裹。在收缩段流体流速处于加速状态,涡核直径迅速变小,而旋涡强度增强。当流体流经扩散段时,旋涡速度降低,环流压力回升,此时涡核压力最低,在压力差的作用下发生了回流现象。回流使旋涡流偏离前进方向作类似陀螺的运动,此时旋涡的运动可分解为三部分:旋涡绕自身轴线的旋转、旋涡轴线绕主流轴线的旋转、旋涡沿主流方向的前进运动。旋涡流进动效应发生在扩大段且贴近流量计壳体内壁面,进动频率与流速呈线性关系,旋涡进动频率可以定性反映流速和体积流量的大小,经过标定后的流量计可以定量测量流体的体积流量。

图1 旋进漩涡流量计工作原理图

2 管道振动干扰对旋进旋涡流量计测量影响实验研究

2.1 实验测试系统

实验流体为气体,系统安装在音速喷嘴流量标定装置上,由5个部分组成,如图2所示。管道振动模拟装置,用于在实验室里模拟管道在工况下的振动;实验表体;流量标定装置,选用音速喷嘴流量标定装置;压差产生装置,通过真空泵产生负压,入口和出口之间产生一个压差,形成小型风洞;信号采集、放大及显示系统,信号经两级放大后在示波器上显示波形,示波器的型号为RIGOLDS5022ME,带宽为25MHz,实时采样率为1GSa/s。

图2 实验装置及测试系统图

2.2 实验条件

实验所用的传感器是直径为7mm压电式压力传感器,其共振响应频率很高,可以忽略传感器共振给实验的影响。实验介质为空气,实验时的瞬时流量固定为21.8m3/h,管道内径为DN50。为了满足安装要求并得到充分发展的湍流,入口直管道长度为流量标定装置的直管长度3000mm(>>10d),出口直管长度为500mm(>5d)。

3 实验结果及讨论

为了充分显示管道振动对旋进旋涡流量计采集信号的影响,针对管道的振动特性、流场中复合信号特性、流场中复合信号差分特性3个方面分别进行了实验研究。

如图3所示,在管道同侧沿轴向安装两个压电传感器,左侧传感器a埋在流量计壳体中,不与流体接触,只检测管道的振动信号;右侧传感器b与流体有接触,检测的信号包含管道振动信号和流体脉动干扰信号、旋进旋涡的有效信号等。信号采集之后将右侧传感器b的信号与左侧传感器a的信号作差分处理。

图3 信号采集部分示意图

3.1 管道振动特性实验(管道中流体瞬时流量为21.8m3/h)

由于传感器a不与流体接触,故所采集的信号与流量无关(如图4),传感器a采集的信号主要是管道的振动(如图5)。

图4 管道无振动时传感器a的波形

图5 管道有351Hz振动时传感器a的波形

3.2 流场中复合特性实验(管道中流体瞬时流量为21.8m3/h)

传感器b所采集的信号包含有旋进旋涡有效信号(图6、图7中FFT的第一个尖峰),流体脉动干扰信号(图6、图7中FFT第二个尖峰),管道振动信号(图7中FFT第三个尖峰)。

图6 管道无振动时传感器b的波形

图7 管道有351Hz振动时传感器b的波形

3.3 流场中复合信号差分的特性实验(管道中流体瞬时流量为21.8m3/h)

经过差分后,图8、图9中FFT第一个尖峰所代表的旋进旋涡有效信号得到明显加强,图5和图7中351Hz的管道振动干扰信号被消除。由于传感器a的信号不包含管道中流体的脉动干扰信号,故差分后也不能消除管道中流体脉动干扰,在图9中仍然存在流体脉动干扰信号(FFT中第二个尖峰)。

图8 管道无振动时差分后波形

图9 管道有351Hz振动时差分波形

4 结论

采用同侧轴向并排安装双传感器差分法可以消除管道的振动干扰信号,但不能消除管道中流体脉动干扰信号,双传感器的安装位置与安装距离有待进一步实验研究。在轴对称位置加装另一组传感器用来同时消除管道中流体脉动干扰和管道振动干扰的方法有待实验验证。


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