摘要: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(nèi)流動介質(zhì)的情況下進行了系統(tǒng)實驗.應(yīng)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.結(jié)果表明,在旋渦發(fā)生體下游的一定距離內(nèi),取壓位置對該方法的斯特勞哈爾數(shù)和儀表系數(shù)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(yīng)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(yīng)性強,測量下限低.
旋渦頻率的檢測是渦街流量計的關(guān)鍵,壓電晶體法是目前最為常用的檢測方法.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)定性差.為了解決上述問題,研究人員從傳感器的結(jié)構(gòu)形式和流量信號的分析處理等方面進行了廣泛深人的研究,取得了大量的成果,但是都難以從根本上予以解決.
根據(jù)流體力學基本原理,在對渦街流量計流場數(shù)值仿真的基礎(chǔ)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.結(jié)果表明,該方法簡便可靠,不干擾管道內(nèi)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(chǔ)上,應(yīng)用旋渦動力學和流體阻抗法的有關(guān)原理,從取壓位置和差壓檢測系統(tǒng)兩個方面人手,分析了各種因素對管璧差壓式渦街流量計測量的影響,提出了相應(yīng)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(chǎn)生的地方必有壓力的變化,交替產(chǎn)生的旋渦必然會導致附近流場的壓力出現(xiàn)規(guī)則的變化,其變化的頻率與旋渦的頻率一一對應(yīng),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(xiàn)流量的測量.由于發(fā)生體兩側(cè)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(shù)值仿真結(jié)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(nèi)待測介質(zhì)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(xiàn)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過程與裝置
在管內(nèi)流動介質(zhì)分別為水和空氣的情況下均進行了實驗,整個測試由動力設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)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(nèi)直徑D=50mm,旋渦發(fā)生體的橫截面為梯形,迎流面寬度d=14mm,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(nèi)直徑,如圖2所示.
空氣和水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(jīng)過放大,由數(shù)字示波器記錄保存,再導人計算機進行處理分析.
3取壓位置的影響
3.1渦街流計內(nèi)的旋渦特性
由于管壁的約束,渦街流量計中旋渦的產(chǎn)生和脫落特性并不和自由流場中的情況完全相同.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2(即渦量)沿流動方向x的變化規(guī)律為.
式中:v為管內(nèi)平均流速,D為管道內(nèi)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、x,和xk均為常數(shù),根據(jù)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(jié)果與比較
3.2.1斯特勞哈爾數(shù)和儀表系數(shù)渦街流量計
用于測量的前提條件是在--定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)儀.表系數(shù)K保持為常數(shù),對于渦街流量計,由于K與斯特勞哈爾數(shù)St存在如下關(guān)系:
因此要求在一定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)St保持不變.不同流動介質(zhì)、不同取壓位置的St與Re的對應(yīng)關(guān)系如圖3(a)、(b)所示.各種情況的St基本上保持為常數(shù),且它們的值均相等,約為0.253.各種情況的儀表系數(shù)列于表1,它們之間的最大相對誤差小于1%,這表明在旋渦發(fā)生體后一定的距離內(nèi)，流動介質(zhì)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最小可測流速
渦街流量計測量下限的拓展一直是研究的熱點.各種情況的最小可測流速及常規(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,旋渦的旋度強，測量的靈敏度高，不論是水還是空氣,最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.
引壓管的影響
4.1引壓管動態(tài)特性的數(shù)學模型
根據(jù)流體阻抗法的集中參數(shù)模型,若差壓傳感器兩根引壓管的平均長度為Ɩ0,平均導納為YƖ0,輸入的管壁正弦脈動壓力差△pi=pil-pi2,則傳至差壓傳感器的差壓為
式中:F=√ZY為引壓管單位長度的傳播常數(shù);Z和Y分別為單位長度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導納;Zc=√Z/Y為管路的特性阻抗;δ為差壓測量的絕對誤差;K。為壓力脈動影響系數(shù).
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,當輸人差壓脈動頻率ƒ低于引壓管的基本頻率ƒ。的1/2時，Kp<0.03,δ值較小;當ƒ>0.5ƒ。時,Kp隨ƒ的增.加而顯著上升,δ值較大.
4.2管壁差壓平均幅值的測最偏差與討論
管壁差壓平均幅值`Pmax定義為
式中:Pmax.pmin,;分別為第i個旋渦周期內(nèi)管壁差壓的最大值和最小值;N為檢測的總周期數(shù). `Pmx值反映了旋渦強度的大小,應(yīng)隨流量的增加而增大.實驗`Pmx與qv的關(guān)系如圖4所示,當圖4(a)中給出的是流動介質(zhì)為水時,從3對不同取壓位置測量的`Pmx隨qv的分布情況,可見3條曲線均隨qv的增加而單調(diào)遞增,較好地符合了理論預(yù)測;圖4(b)中所示的是流動介質(zhì)為空氣時的情況,3條曲線的形狀相似,當qv<83m3/h,`Pmx隨流量的增加而增大,在qv=83m3/h附近取得極大值,當qv>83m3/h,`Pmx不再隨流量的增加而增大,而是急劇下降直至qv>120m3/h后逐漸平緩遞增.
當流量qv=83m3/h時，旋渦頻率ƒ=213Hz,K=2.5680Hz·h/m;引壓管的長度Ɩ=0.20m,其固有頻率ƒ0=c/(4Ɩ)=425Hz,c為引壓管中介質(zhì)的聲速，則ƒ=0.5ƒ0..當qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,Kp隨ƒ的增加而顯著上升,差壓測量的絕對誤差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(yīng),從而造成較大的測量誤差,與理論關(guān)系不符.為了克服或減小引壓管對測量的影響,應(yīng)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(yīng)性和穩(wěn)定性.
5結(jié)論
(1)在發(fā)生體下游的一定距離內(nèi),取壓位置對管壁差壓式渦街流量計的斯特勞哈爾數(shù)和儀表系數(shù)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(nèi),較靠近發(fā)生體迎流面的地方測得的最小流速低于遠離迎流面的地方;
(3)引壓管的響應(yīng)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(yīng)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(xiàn)場的流動狀態(tài)復(fù)雜,因此進一步工作將圍繞著該方法在旋轉(zhuǎn)流、脈動流等惡劣工況下的性能展開.
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