涡街流量计在不同流速时测量表现及流量限制问题的分析研究

 本文概述：
     目前工业生产中流量计的种类类别非常多，基于不同的测量原理进行工作，力学原理、热学原理、电学原理及光学原理等。
涡街流量计是种采用卡门（Karman）涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较、理想的测量仪器。
 
     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，是目前气体和低粘度液体的佳选择之一。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量高流速的情况下，涡街流量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。


 
　　1  涡街流量计的优缺点
　　涡街流量计在诸多应用方面都优于传统的孔板流量计。比如，孔板流量计 1 个测量回路静密封点为 20 个左右。相比而言，涡街流量计的静密封点只有 3 个，不容易泄漏 ，它不受流体温度、压力还有密度等影响，流量系数长期不变[1]。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，致使涡街流量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。但是一旦不能正常工作，产生的测量误差将非常大，甚至连流量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，流量减小时，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。在用于气体流量检测时，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）由于涡街流量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，下面将做部分探讨。
 
　　2  涡街流量计工作原理与结构
　　2.1  涡街流量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－－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。涡街流量计就是参考日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。可用下式表示：F=stv/d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；St 为斯特劳哈尔数（Strouhal number），数值的范围为 0.14 ～ 0.27。测量时，一般假定 St=0.2。由此，通过测量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，再由下式 ：Q=vA  可以求出流量 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 涡街流量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、四角柱和三角柱。目前采用较多，反馈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、蒸汽和气体的测量。
 
      3  小流量、低流速测量的限制问题基于涡街流量计的原理，流量信号的强度与流量的平方成正比，即流速降低时，涡街信号将以平方关系急剧下降。


 
图 2 显示流量由零增大时，涡街信号的波形记录。在相同条件之下，1m/s 流速的气体产生的漩涡力仅是 5m/s 流速时的 1/25。为保证小流量的检测，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，这是涡街流量计在实际应用中大的问题。涡街流量计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量。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 所示。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 u=AU，所以改变 A 或者 U 的效果是相同的[2]。
 
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，涡街流量计正常工作的必要条件是：E > u > V。当涡街流量计测量低流速、小流量流体的时候，依据上述分析必须提高信噪比，尽量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效信号的幅值[3]。另一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一致的，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，而块压电晶体相反的流量信号相加后增强。于是，大大降低了机械振动信号的干扰。
 

       4  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/s，在选择流量计时，量程达到 60m/s 就已足够，而采用在线实时频谱分析时发现：?80 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/s 的高流速，更有甚者，流速高达 180m/s。一般的涡街流量计在流速过高时，因剧烈的漏波现象，出现难以估算的误差，所以也难于判断超高流速的大小。
 
如图 5 所示，漏波现象使流量偏小 44.3%。针对这一现象，采用频谱分析＋动态滤波，改善信号波动，消除“漏波”现象。信号可以从时域分析，也可以从频域分析。时域的信号图像，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重于信号的直观印象，例如信号的周期，信号在某一时间点的幅值等。信号的频域分析，是采用傅里叶变换，将 X（t）变换成 X（f）[4]。具体的变换方法在这里不再赘述。信号的频谱图表明了信号在不同频率分量成分的大小，比时域图像提供更具体更丰富的频域图像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其频谱分析的功能来观察信号的频谱。信号的滤波处理通常是信号处理中常用的方法。信号的滤波主要是获得自己想要的信号，并且过滤掉不符合实验要求的信号。通常有低通、高通、带通、带阻这几种方式。实际应用中，通常是设计滤波电路对电路进行滤波。在测试测量中，往往需要的是滤掉信号中的杂波。尽可能排除影响因素，通过对涡街流量计传感器原始信号直接进行实时频谱分析，得出超高流速时的流量值。
如图 6 所示。


 
       5  结束语
由于涡街流量计容易与数字电子设备配套使用，所是一种比较、理想的测量仪器。漩涡升力与流量的平方呈正比、与流体的密度呈正比。因此，当小流量、低流速或大流量、高流速的时候，对涡街流量计提出了比较高的要求。针对这个问题，本文做了相应的探讨。为了使涡街流量计尽可能测量低流速、小流量，必须提高信噪比，采用差动压电传感器和差动放大电路，尽量提高有效流量信号的幅值而降低机械振动干扰信号的幅值。针对高流速、大流量产生漏波现象的问题，采用频谱分析和动态滤波的方法，尽量减少漏波现象。
 

图 7 为未处理时流量计输出的传感器信号和放大器输出信号。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（b）为展开的视图。图 8 为处理后流量计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。


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