摘要:爲了提(tí)高渦街流量計 的(de)抗幹擾性和穩定(dìng)性并保證測量精(jing)度,提出了一種基(jī)于管壁差壓的旋(xuán)渦頻率檢測新方(fāng)法.在水和空氣不(bú)同管内流動介質(zhi)的情況下進行了(le)系統實驗.應用旋(xuan)渦動力學和流體(tǐ)阻抗法,分析了取(qǔ)壓位置和引壓管(guǎn)頻率特性因素對(dui)該方法測量性能(néng)的影響.結果表明(ming),在旋渦發生體下(xia)遊的一定距離内(nei),取壓位置對該方(fang)法的斯特勞哈爾(ěr)數和儀表系數的(de)影響很小，較靠近(jìn)旋渦發生體迎流(liú)面的地方可測流(liú)量下限低.引壓管(guan)的長度應盡量短(duǎn),并且保證其固有(yǒu)頻率與渦街頻率(lǜ)相差較大該方法(fǎ)簡便可靠,适應性(xing)強,測量下限低.
　　旋(xuan)渦頻率的檢測是(shi)渦街流量計的關(guān)鍵,壓電晶體法是(shi)目前最爲常用的(de)檢測方法.但是壓(yā)電晶體檢測法存(cún)在兩個嚴重的問(wen)題:1)壓電晶體對管(guǎn)道的振動較敏感(gan).2)壓電晶體長期使(shǐ)用的穩定性差.爲(wèi)了解決上述問題(ti),研究人員從傳感(gan)器的結構形式和(hé)流量信号的分析(xī)處理等方面進行(hang)了廣泛深人的研(yan)究,取得了大量的(de)成果,但是都難以(yǐ)從根本上予以解(jie)決.
　　 根據流體力學(xue)基本原理,在對渦(wo)街流量計流場數(shù)值仿真的基礎上(shang)提出了渦街流量(liàng)計旋渦頻率檢測(ce)的管壁差壓法,并(bing)對在不同管徑方(fang)向的取壓位置也(ye)作了研究.結果表(biǎo)明,該方法簡便可(ke)靠,不幹擾管道内(nèi)的流動,抗幹擾性(xing)強,從而形成一種(zhǒng)新型.的渦街流量(liang)計,即管壁差壓式(shi)渦街流量計本文(wen)在已有的研究基(jī)礎上,應用旋渦動(dòng)力學和流體阻抗(kàng)法的有關原理,從(cong)取壓位置和差壓(ya)檢測系統兩個方(fāng)面人手,分析了各(ge)種因素對管璧差(cha)壓式渦街流量計(jì)測量的影響,提出(chu)了相應的解決方(fang)案,爲優化測量提(tí)供了指導.
1測量原(yuán)理與特點
　　 在渦街(jie)流量計中,有旋渦(wo)産生的地方必有(yǒu)壓力的變化,交替(tì)産生的旋渦必然(ran)會導緻附近流場(chǎng)的壓力出現規則(zé)的變化,其變化的(de)頻率與旋渦的頻(pín)率一一對應,因此(ci)可以通過檢測發(fā)生體尾流中某确(que)定的兩點間的波(bō)動差壓來測量旋(xuán)渦頻率,從而實現(xian)流量的測量.由于(yú)發生體兩側對稱(chēng)點上的相位差爲(wei)180°,且振動幅度和頻(pin)率相等,因此将差(chà)壓取壓位置選取(qu)在管壁上的對稱(cheng)點更利于檢測,如(rú)圖1所示,其中圖1(a)、(b)分(fèn)别爲沿着管道軸(zhóu)向和徑向的截面(mian)圖.
　　 數值仿真結果(guo)都表明,與目前常(chang)用旋渦頻率檢測(ce)方法相比,管壁差(cha)壓法具有以下明(míng)顯優勢:1)引壓系統(tǒng)對管内待測介質(zhi)流動幾乎沒有影(ying)響;2)傳感器系統獨(du)立于旋渦發生體(ti),并且位于管道外(wai)面，維修和更換時(shí)不需要切斷管流(liu)拆卸旋渦發生體(tǐ),可以實現傳感器(qi)在線維修和更換(huàn);3)與壓電晶體法相(xiang)比，具有較強的抗(kang)幹擾性;4)可測流量(liàng)下限低.
 
2過程與裝(zhuang)置
　　 在管内流動介(jie)質分别爲水和空(kōng)氣的情況下均進(jìn)行了實驗,整個測(ce)試由動力設備、穩(wěn)壓設備、标準流量(liang)表、前直管段、實驗(yàn)段和後直管段6部(bu)分組成.管道的内(nei)直徑D=50mm,旋渦發生體(tǐ)的橫截面爲梯形(xing),迎流面寬度d=14mm,管壁(bì)差壓的取壓孔選(xuǎn)擇在發生體後的(de)三對不同位置1、2、3,它(ta)們分别位于距發(fā)生體迎流面0.2D、0.5D、D的下(xià)遊，其中D爲管道内(nèi)直徑,如圖2所示.
　　 空(kong)氣和水的标準流(liú)量表分别爲鍾罩(zhao)标準流量裝置和(he)電磁流量計,它們(men)的精度均爲0.5級.測(ce)得的管壁差壓經(jīng)過放大,由數字示(shì)波器記錄保存,再(zài)導人計算機進行(háng)處理分析.
 
3取壓位(wei)置的影響
3.1渦街流(liu)計内的旋渦特性(xing)
　　 由于管壁的約束(shù),渦街流量計中旋(xuán)渦的産生和脫落(luò)特性并不和自由(yóu)流場中的情況完(wan)全相同.渦街流量(liang)計中旋渦發生體(tǐ)下遊的旋渦區可(ke)以分爲3個區段，即(jí)密集發展段、穩定(ding)段和旋渦消散段(duan).在密集發展段,旋(xuán)渦旋度2(即渦量)沿(yán)流動方向x的變化(hua)規律爲.
 
　　式中:v爲管(guan)内平均流速,D爲管(guan)道内直徑,d爲旋渦(wō)發生體迎流面寬(kuān)度,xs爲密集發展段(duàn)的長度.
　　 在穩定段(duàn),旋渦旋度爲
 
　　式中(zhong):xk爲密集發展段和(he)穩定段的總長度(du).
　　由于d、D、x,和xk均爲常數(shu),根據式(1),(2)可見,不論(lùn)是在密集發展段(duàn)還是在穩定段,旋(xuan)渦旋度Ω都是正比(bǐ)于流速v,且随x的增(zeng)大而減小.
　　在旋渦(wō)消散段,由于流層(céng)之間的相互作用(yòng)能量逐漸消耗,旋(xuan)渦逐漸消失.
3.2不同(tong)取壓位置的實驗(yàn)結果與比較
3.2.1斯特(tè)勞哈爾數和儀表(biao)系數渦街流量計(jì)
　　用于測量的前提(ti)條件是在--定的雷(lei)諾數Re範圍内儀.表(biao)系數K保持爲常數(shu),對于渦街流量計(jì),由于K與斯特勞哈(ha)爾數St存在如下關(guan)系:
 
　　因此要求在一(yi)定的雷諾數Re範圍(wei)内St保持不變.不同(tong)流動介質、不同取(qu)壓位置的St與Re的對(duì)應關系如圖3(a)、(b)所示(shi).各種情況的St基本(běn)上保持爲常數,且(qie)它們的值均相等(deng),約爲0.253.各種情況的(de)儀表系數列于表(biǎo)1,它們之間的最大(dà)相對誤差小于1%,這(zhe)表明在旋渦發生(shēng)體後一定的距離(lí)内，流動介質和取(qu)壓位置對管壁差(cha)壓式渦街流量計(jì)的測量影響很小(xiao).
 
3.2.2最小可測流速
　　渦(wō)街流量計測量下(xià)限的拓展一直是(shì)研究的熱點.各種(zhong)情況的最小可測(cè)流速及常規渦街(jie)流量計的測量下(xia)限列于表2.在實驗(yan)中,越靠近發生體(tǐ),旋渦的旋度強，測(ce)量的靈敏度高，不(bú)論是水還是空氣(qi),最小可測流量都(dōu)是随取壓位置的(de)後移而增大.當測(ce)量水時,位置1的測(ce)量下限僅爲常規(guī)表的52%;當測量空氣(qi)時,位置1的測量下(xià)限爲常規表的75%,因(yin)此采用管壁差壓(ya)法能有效地降低(dī)渦街流量計的測(ce)量下限,将取壓位(wei)置适當靠近發生(shēng)體能進一步降低(di)測量下限.
 
引壓管(guǎn)的影響
4.1引壓管動(dòng)态特性的數學模(mó)型
　　根據流體阻抗(kang)法的集中參數模(mó)型,若差壓傳感器(qi)兩根引壓管的平(píng)均長度爲Ɩ0,平均導(dǎo)納爲YƖ0,輸入的管壁(bì)正弦脈動壓力差(cha)△pi=pil-pi2,則傳至差壓傳感(gan)器的差壓爲
 
　　式中(zhōng):F=√ZY爲引壓管單位長(zhǎng)度的傳播常數;Z和(hé)Y分别爲單位長度(dù)的串聯阻抗和并(bìng)聯導納;Zc=√Z/Y爲管路的(de)特性阻抗;δ爲差壓(ya)測量的絕對誤差(cha);K。爲壓力脈動影響(xiang)系數.
　　在兩段引壓(yā)管長度較短且相(xiang)差不大,差壓傳感(gan)器壓力腔室很小(xiǎo)的條件下,當輸人(rén)差壓脈動頻率ƒ低(di)于引壓管的基本(běn)頻率ƒ。的1/2時，Kp<0.03,δ值較小(xiǎo);當ƒ>0.5ƒ。時,Kp随ƒ的增.加而(er)顯著上升,δ值較大(dà).
4.2管壁差壓平均幅(fu)值的測最偏差與(yǔ)讨論
管壁差壓平(píng)均幅值`Pmax定義爲
 
　　式(shi)中:Pmax.pmin,;分别爲第i個旋(xuan)渦周期内管壁差(cha)壓的最大值和最(zuì)小值;N爲檢測的總(zǒng)周期數. `Pmx值反映了(le)旋渦強度的大小(xiǎo),應随流量的增加(jia)而增大.實驗`Pmx與qv的(de)關系如圖4所示,當(dāng)圖4(a)中給出的是流(liu)動介質爲水時,從(cóng)3對不同取壓位置(zhi)測量的`Pmx随qv的分布(bu)情況,可見3條曲線(xian)均随qv的增加而單(dan)調遞增,較好地符(fu)合了理論預測;圖(tú)4(b)中所示的是流動(dong)介質爲空氣時的(de)情況,3條曲線的形(xing)狀相似,當qv<83m3/h,`Pmx随流量(liàng)的增加而增大,在(zai)qv=83m3/h附近取得極大值(zhí),當qv>83m3/h,`Pmx不再随流量的(de)增加而增大,而是(shi)急劇下降直至qv>120m3/h後(hou)逐漸平緩遞增.
　　當(dang)流量qv=83m3/h時，旋渦頻率(lǜ)ƒ=213Hz,K=2.5680Hz·h/m;引壓管的長度Ɩ=0.20m,其(qí)固有頻率ƒ0=c/(4Ɩ)=425Hz,c爲引壓(ya)管中介質的聲速(sù)，則ƒ=0.5ƒ0..當qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,Kp随ƒ的增加而(er)顯著上升,差壓測(cè)量的絕對誤差δ值(zhi)增大.因此較低的(de)引壓管固有頻率(lǜ)阻礙了測壓系統(tǒng)對動态管壁差壓(yā)的響應,從而造成(cheng)較大的測量誤差(chà),與理論關系不符(fú).爲了克服或減小(xiǎo)引壓管對測量的(de)影響,應盡量縮短(duǎn)引壓管的長.度.但(dan)是管壁差壓幅值(zhi)的誤差并沒有影(yǐng)響頻率的測量,對(dui)St和K的影響甚小,也(ye)即流量的測量幾(ji)乎不會受影響,說(shuō)明管壁差壓法的(de)強适應性和穩定(dìng)性.
 
5結論
(1)在發生體(tǐ)下遊的一定距離(lí)内,取壓位置對管(guan)壁差壓式渦街流(liu)量計的斯特勞哈(hā)爾數和儀表系數(shù)的影響很小;
(2)管壁(bì)差壓式渦街流量(liàng)計的測量下限随(suí)取壓位置的不同(tong)而顯著變化，在旋(xuán)渦發生體後的一(yī)定範圍内,較靠近(jìn)發生體迎流面的(de)地方測得的最小(xiao)流速低于遠離迎(ying)流面的地方;
(3)引壓(yā)管的響應頻率對(dui)管壁差壓式渦街(jie)流量計的測量有(yǒu)着重要的影響,爲(wei)了保證準确測量(liang),應盡量縮短引壓(yā)管的長度,并且保(bao)證引壓管固有頻(pín)率與渦街頻率相(xiàng)差較大.
　　由于工業(yè)現場的流動狀态(tài)複雜,因此進一步(bù)工作将圍繞着該(gāi)方法在旋轉流、脈(mo)動流等惡劣工況(kuàng)下的性能展開.

本(ben)文來源于網絡,如(ru)有侵權聯系即删(shan)除！