涡街流量计不同流速及流量限制问题的研究.docx

1、E1CVol.232016No.10涡街流量计不同流速及流量限制问题的研究陆苗霞（应天职业技术学院，南京210000）描«:与孔板相比，涡街流量计在固有原理、结构、安装维护、运行费用和能耗等方面，有很大的优势，是目前气体和彳氐粘度液体的最佳选择之一。但是涡街流量计在某些方面具有技术难点需要克服。本文主要探讨在小流量低流速和大流最高流速的情况下，涡街流置计检测时的一些限制问题，提出了一些解决方案及实施效果C美调：流量计；流速；流量中图分类号：T中图分类号：T文献标识码：A001:10.3969/j.issn.1671-1041.2016.10.004文章编号：1671-1041(201

2、6)10-0012-03ResearchonDifferentVelocityforVbrtexFlowmeterandFlowRestrictionProblemLuMiaoxia(Yingtiancollege,Nanjing,2lOOOO,China)Abstract：Vortexflowmeterinnaturalprinciples,structure,principles,aspectsofinstallationandmaintenance,operatingcostsandenergyconsumption,comparedwiththeorificehasalotofadva

3、ntages,isthegasandoneofthebestchoiceforlowviscosityliquid.Vortexflowmeterinsomeaspectshavetechnicaldifficultiestoovercome.Paperlowflowlowflowvelocityandlargeflowunderhighvelocity,somerestrictionsondetectionofvortexflowmeter,solutionswereproposedandimplementationresults.Keywords：flowmeter;velocityoff

4、low;rateofflow收稿日期：2016-07-21作者简介：陆苗霞（1981-）.女.江苏宜兴入.本科.讲师.专职教师.研究方向：物理电子学。0引言流鼠计是指示被测流量:和在选定时间间隔内流体总段的仪表。流扯计的种类类别非常多，利用的测量原理也各不相同，有力学原理、热学原理、电学原理及光学原理等。当前，在气体及低粘度液体流量计选型中，由于孔板流量计有悠久的历史背景，各种试验数据齐全。结构简单，无可动部件，标准化程度高，可不必进行实流标定等优点，被广泛使用。孔板流屈计属于差压式流钠计，流体流过管体内的节流装置，在节流装置周围产生收缩，利用压力差来测魅流体流速。孔板流量:计的节流装置为孔板

5、，即中央开有圆孔的金属板，其结构如图1所示。安装时将孔板垂直放置在管道中，测取孔板前后两端的压力差，用传感器把感知的压力差转换为电压量，然后与压差计相连，即构成孔板流量计。由于孔板流量计是通过产生压力损失进行流量检测，所以压力损失较大，通常高达1020kpao由于孔板流量计的流虽系数与雷诺系数有关，它的测量范围比较窄，fi程范闱一般为3:14:1,而且孔板流量计在实际应用中，由于安装复杂，整个压力传递路径中易受到泄漏、冷摄毒及下游导压管位置偏差、孔板同心度、垂宜度等众多因素的影响，实际精确度难以确定。图1实际的标准孔板Fig.lTheactualstandardorifice因此，为r解决孔板

6、流量计在测懂时存在的诸多问题，涡街流量计应运而生。1涡街流量计的优缺点涡街流域计在诸多应用方面都优于传统的孔板流鼠计C比如，孔板流最计】个测量网路静密封点为20个左右。相比而言，涡街流景计的静密封点只有3个，不容易泄漏，它不受流体温度、压力还有密度等影响，流域系数长期不变叫但是涡街流量计在使用的时候，也存在一些问题。1）由于涡街流量计的原始信号为频率信号，致使涡街流斌计实际为一种数字式仪表。它只要能正常工作，精度一定有保证°但是-旦不能正常工作，产生的测量误差将非常大，甚至连流S:的变化趋势都不能指示，彻底不能工作。2）漩涡升力与流量:的平方呈正比、与流体的密度呈正比。因此，流址减小

7、时，涡街信号以2阶关系急剧减弱，而气体的涡街信号远低于液体。在用于气体流域检测时，因低密度、低流速导致涡街信号微弱，极易湮没在干扰之中，流量计无法正确识别出漩涡，致使测量失败。3）由于涡街流最计传感器必须敏感检测小流量时微小的涡街升力，直接限制了传感器的结构。针对以上一些问题，F面将做部分探讨。2涡街流量计工作原理与结构2.1涡街流计的工作原理在日常生活中经常能看到涡街现象，比如风中的旗帜，由于旗杆产生的涡街而摆动，风越大，旗帜摆动越快一一摆动频率与风速呈正比。还有桥墩、烟囱、高楼的设计均需考虑涡街的破坏力。涡街流址计就是参考H常生活中涡街现象的原理，在管道中插入合适大小和形状的柱体（即涡街发

8、生体）。当流体流过时，在涡街发生体后两侧产生交替排列的漩涡，这种漩涡被称为卡门漩涡。漩涡的频率与流量呈正比。可用卜式表示：式（1）中：f为漩涡的频率；v为流过涡街发生体的流体的平均速度；d为涡街发生体的流面宽度；9为斯特劳哈尔数（Strouhalnumber）,数值的范围为0.140.270测量:时，一般假定St=0.2o由此，通过测虽漩涡的频率就可以计算出流过涡街发生体的流体平均速度v,再由卜-式:q=vA（2）可以求出流抵q。其中，A为流体流过涡街发生体的截面积。2.2涡街流量计的结构涡街流做计的基本结构为传感器和转换器2大部分。传感器包含涡街发生体、检测元件等；转换器包含有放大电路、滤波

9、整形电路以及D/A转换电路等；涡街发生体常见的有圆柱型、T型柱、四角柱和三角住。目前采用较多，反馈最好的是三角柱型的涡街发生体。检测元件有压电晶片、热敏电阻、超声波和应变片差动电容等。转换器部分基本都智能化了，把微处理器芯片都安装其中。涡街流量可直接在管道上安装、互换性强、体积小、长期运行精度高,可适用于大多数液体、蒸汽和气体的测址C3小流量、低流速测量的限制问题基于涡街流址计的原理，流量信号的强度与流址的平方成正比，即流速降低时，涡街信号将以平方关系急剧下降。图2显示流桩由零增大时，涡街信号的波形记录。在相同条件之下，lm/s流速的气体产生的漩涡力仅是5m/s流速时的1/25。为保狂小流量:

10、的检测，必须具备极高的漩涡振动检测灵敏度，将流量信号放大数千倍，由此导致涡街流量计对于蒸汽管道的振动极为敏感，无流量时指示的实际为振动干扰信号，这是涡街流量汁在实际应用中最大的问题。图2涡街信号特征（流从零起增大）Fig.2Vortexsignalcharacteristics（flowrateincreasesfromzero）涡街流届汁的检测部件利用压电晶片来检测漩涡的频率f,由此得到电压信号。此电压信号需要经过放大电路和触发装置，将漩涡频率最终变成仪器所能显示的脉冲信号。此脉冲信号再次送入转换仪表装置换算成可显示的被测流虽。其中，放大器的放大倍数A和触发器的门限电压均可以进行调整。如图3

11、所示。图3涡街流量计原理图Fig.3Schematicvortexflowmeter图3中输入信号电压为E,噪声信号转换到电压输入端为V,门限电压U通过放大器输出为u,放大器的放大倍数为A。因咋人饥所以改变A或者的效果是相同的。如图4所示。要使得触发器的输出信号为有效信号,必须使得触发器输入的有效信号u远大于噪声信号。因此，涡街流量汁正常工作的必要条件是：E>u>V。当涡街流量计测量低流速、小流玷流体的时候.依据上述分析必须提高信噪比，尽提高输入流量的有效信号，降低机械振动产生的干扰信号的幅值。因此，可以修正阻流体的结构形状，使传感器能更好地接收漩涡的脉动频率，这样可以大幅度提高有

12、效信号的幅值。另种更实际有效的办法是在漩涡发生体的两端分别安装1对对称的压电晶体，采用差动式的压电传感器感知信号，并利用差动放大电路来放大信号，如图4所示。由于电路中机械振动产生的干扰对2块压电晶体的作用力是致的，并且流体漩涡在阻流体两侧是交替产生的，所以干扰产生的信号通过差动放大后，机械振动信号因为相同而相互抵消削减，而2块压电晶体相反的流缺信号相加后增强于姑，大大降低了机械振动信“的干扰图4差动放大原琦图Fig.4Schematicdiflercntialamplifier4大流量、高流速测量的限制问题通常认为.管道里的蒸汽流速不会超过60m/在选择流址汁时.ht程达到60mA就已足够,而

13、采用在线实时频谱分析时发现：0«0及其以下的管线，经常出现高于80m/s的高流速.其中有近一半的出现超过100m/H的高流速.更有其者流速高达180mA,般的涡街流址计在流速过高时.因啊烈的漏波现象.出现雄以估算的误差，所以也嫌于判断超高流速的大小。如图5所示，漏波现象使流址偏小44.3%。针对这-现象.采用频谱分析+动态滤波，改淬信号波动-消除“漏波”现象S5漏波现象III.ilL.il一li.1u.lLblLjijI1J就，肿irI'HTfnipnrll1'1*JFig.5Leakywavephenomenon信号可以从时域分析，也可以从频域分析。时域的信U图像，

14、是以时间轴为横轴；频域的信号图像,是以频率值作为横轴。信号的时域分析主要侧而信号的直观印象.例如信号的周期，信号在某时间点的幅值等。信弓的频域分析，是采用傅里叶变换.将X(!)变换成X(f),4,o”体的变换方法在这里不再贽述信号的频谱图表明r信U在不同频率分缺成分的大小，比时域图像提供更具体更丰帘的频域图像在PicoSco示波器中，可以利用K频谱分析的功能来观察信U的频i普。信目的滤波处理通常是信号处理中常用的方法.信的滤波主要是获得n己想要的信号.并且过滤抻不符合实脸要求的信号通常有低通、高通、帝通、带阻这儿种方式。实际应用中.通常是设计滤波电路对电路进行滤波，在测试测址中,往往需要的是滤

15、掉信号中的杂波尽诃能排除影响因素.通过对传感器原始信号宜接进行实时频谱分析.得出超高流速时的流缺值如图6所示。5结束语由于涡街流ht计容易与数字电子设备配套使用.所以图6高流速时的筷漕分析图Fig.6Spectralanalysisofhighflowvelocity是一神比较先进、理想的测ht仪器漩涡升力与流ht的平方呈正比、与流体的密度星正比。因此.当小流址、低流速或大流址、高流速的时候,对涡街流ht汁提出r比较高的要求针对这个问题,本文做r相应的探讨：为了使涡街流址汁尽w能测缺低流速、小流ht,必须提高信噪比.采用差动压电传感器和去动放大电路.尽缺提高有效流ht信号的幅值而降低机械振动卜扰信b的邮值针对高流速、大流ht产生漏波现象的问题.采用频谱分析和动态滤波的方法，尽ht破少漏波现象图7为未处理时流址计输出的传感器信号和放大器输出信弓图7(a)上部为传感器输出的原始信号,下部为放大器输出信号；图7(h)为展开的视图图8为处理后流ht汁输出的传感器信号和放大器输出信号图8(a)上部为传感器输出的原始信号.下部为放大器输出信号；图8(b)为展开的视图图7未