摘要:為研究管道振動對渦街流量計測量的影響,以國內(nèi)普遍使用的應(yīng)力式渦街流量計為研究對象.在氣體流量管道振動試驗裝置上,流量范圍35m'/h~145m/h內(nèi),分別在不同管道振動加速度(0.05g.0.Ig.0.2g.0.5g、1g)、頻率(40Hz、100Hz、200Hz)、垂直和水平方向上進(jìn)行了一系列管道振動試驗。通過對不同管道振動情況下的渦街流量計儀表系數(shù)誤差分析發(fā)現(xiàn)，渦街儀表系數(shù)誤差隨管道振動加速度的增加而變大,抗振性能較差;相同振動加速度下,儀表系數(shù)誤差隨流量增大有減小趨勢,小流量下對管道振動尤為敏感;同一振動加速度下,儀表系數(shù)誤差隨管道振動頻率增大而減小;水平方向管道振動較之垂直方向儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。
渦街流量計是一種基于流體振動原理的流量計。目前已成為管道中液體、氣體、蒸汽的計量和工業(yè)過程控制中不可缺少的流量測量儀表1-2:o但是,渦街流量計本質(zhì)上是流體振動型流量計,它對機(jī)械振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感,不僅可以感受傳感器受到的渦街力，還可以感受到傳感器受到的其他力，如管道振動、流體脈動以及流體的沖擊力等3--4],這些干擾勢必會對渦街流量計的測量產(chǎn)生很大的影響。
本文以國內(nèi)應(yīng)用廣泛的應(yīng)力式渦街流量計為研究對象,在氣體流量管道振動試驗裝置上,相同流量范圍內(nèi)進(jìn)行了不同振動加速度的管道振動試驗。擬定渦街儀表系數(shù)誤差(除流量下限外)小于3%作為渦街流量計抗管道振動的標(biāo)準(zhǔn),研究了應(yīng)力式渦街流量計在管道振動條件下的抗振性能，并分析了不同管道振動頻率、振動方向?qū)u街流量計測量的影響，試驗結(jié)果對應(yīng)力式渦街流量計具有普遍意義。
1試驗裝置
圖1為氣體流量管道振動試驗裝置結(jié)構(gòu)圖。為避免氣體壓力波動,1先將大氣中的空氣壓縮打人2中，經(jīng)3冷卻除濕后,得到的純凈氣體先后流經(jīng)4、5.7.10后,通向大氣。流量校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法,即由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計測得的流量、表前壓力以及被測渦街流量計的表前壓力,即可換算得到被測渦街流量計常壓下的體積流量(管路中氣體溫度變化很小忽略不計)。研究對象10選用國內(nèi)普遍使用的應(yīng)力式渦街流量計,內(nèi)徑為50mm,流量范圍36m3/h~320m3/h;標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計精度為1%,內(nèi)徑50mm,流量范圍5m3/h~100m3/h;壓力變送器精度均為2%0。
管道振動試驗設(shè)備由11、12組成,實物見圖2。11為激振設(shè)備由振動臺體和控制器組成,具有調(diào)頻(1Hz~400Hz)定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能，從而使不同加速度和頻率下的振動試驗得以實現(xiàn)。12為測振設(shè)備采用壓電式加速度傳感器正確測量渦街流量計所在處管道振動狀態(tài)。由于振動臺為單自由度，僅能產(chǎn)生垂直方向(圖1中Y方向)管道振動,為了實現(xiàn)水平方向(X方向)管道振動,將渦街流量計旋轉(zhuǎn)90°水平安裝[如圖2(b)],此時,振動臺再工作時其振動方向相對于渦街流量計即實現(xiàn)了如圖1所示的X方向。當(dāng)管道振動時為避免對標(biāo)準(zhǔn)表產(chǎn)生影響,在渦街流量計上游2.5m(50D)處加裝軟管消除機(jī)械振動。
整套試驗裝置由計算機(jī)系統(tǒng)實時控制處理,對氣.動調(diào)節(jié)閥采用PID調(diào)節(jié)確保流量穩(wěn)定,對渦街、渦輪流量計以及壓力變送器的輸出信號均由計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)分析。
2試驗結(jié)果與分析
在圖1試驗裝置上,流量35m3/h~145m'/h(裝置所能達(dá)到的常壓下的最大流量)內(nèi),分別在未施加和施加振動施加不同振動加速度頻率、方向的情況下,對渦街流量計進(jìn)行了管道振動試驗,對試驗結(jié)果予以分析。
2.1未施加管道振動的試驗
在無管道振動情況下,對渦街流量計進(jìn)行了5點實流試驗,數(shù)據(jù)如表1。每個流量點每次檢定時間為30s,重復(fù)性、平均儀表系數(shù)和線性度均按照速度式流量計檢定規(guī)程[12]中的公式計算。試驗研究的應(yīng)力式渦街流量計精度為1級。
2.2不同管道振動加速度的試驗
為考察應(yīng)力式渦街流量計對管道振動加速度的抗振性能,在垂直振動方向、振動頻率為100Hz、振動加速度0.05g~1g情況下，進(jìn)行了流量試驗。將得到的5組試驗數(shù)據(jù),繪制出相應(yīng)的儀表系數(shù)隨流量變化曲線如圖3所示。可見,當(dāng)施加管道振動后,渦街流量計儀表系數(shù)隨流量及振動加速度的不同變化很大。為了與無管道振動時作比較,圖4給出了不同振動加速度下的儀表系數(shù)相對于無管道振動時平均儀表系數(shù)的誤差曲線。
由圖4可知,-方面，同一振動加速度下不同流量點對渦街流量計測量影響的程度不同。小流量時受管道振動影響劇烈，輸出脈沖即為管道振動頻率,如圖335m3/h處儀表系數(shù)集中在一點。隨著流量增加，渦街流量計受管道振動影響根據(jù)振動加速度的不同可分為三種:(1)管道振動加速度為0.05g、0.1g、0.2g時,儀表系數(shù)誤差隨流量增加而減小直至為零;(2)管道振動加速度為0.5g時,儀表系數(shù)誤差隨流量增加先變大后減小但未減至零;(3)管道振動加速度為1g時,儀表系數(shù)誤差隨流量增加而變大最后趨于平穩(wěn)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于,應(yīng)力式渦街流量計是利用壓電探頭交替地作用在其上的升力的檢測、獲得渦街頻率的，而升力與被測流體的密度和流速平方成正比。小流量時升力幅值小，易受管道振動干擾、有用信號被淹沒,只能檢測到振動信號,故儀表系數(shù)集中在一點。隨著流量增加，升力幅值成平方倍增長，而管道振動加速度不變即振動幅值不變,故壓電探頭檢測到的混合信號中渦街有用信號逐漸顯露出來。當(dāng)管道振動加速度為第(1)種情況時,渦街信號幅值隨流量增加而迅速增強(qiáng),最終抑制振動信號使儀表系數(shù)誤差減小至零;當(dāng)管道振動加速度為第(2)種情況時,由于振動信號幅值較強(qiáng),渦街信號隨流量增加雖然有大幅提升，但仍無法完全有效地抑制振動信號,儀表系數(shù)誤差有減小但不能.減至零;但當(dāng)管道振動加速度為第(3)種情況時,由于振動干擾幅值遠(yuǎn)大于渦街信號幅值,所以儀表系數(shù)誤差很大,但是，渦街信號幅值隨流量增加成平方倍增長仍會對管道振動信號起到一定抑制作用，所以儀表系數(shù)誤差最后趨于平穩(wěn)。
另一方面,除流量下限外,相同流量下渦街流量計儀表系數(shù)誤差隨振動加速度的增加而增大,這是由于振動加速度的增加導(dǎo)致振動干擾幅值變大，對渦街流量計信號輸出必然造成惡劣的影響。
按照前文擬定的管道抗振標(biāo)準(zhǔn),此應(yīng)力式渦街流量計在管道振動頻率為100Hz時,垂直方向抗振加速度僅為0.05g。
2.3不同管道振動頻率的試驗
為了研究管道振動頻率變化對渦街流量計測量的影響,將頻率分別調(diào)整為40Hz、200Hz后,重新進(jìn)行了2.2試驗,得到了圖5所示不同振動加速度下儀表系數(shù)誤差變化曲線。
將圖4.5作對比發(fā)現(xiàn)，無論管道振動頻率如何變化,在同一振動加速度下,儀表系數(shù)誤差隨流量變化的趨勢類似。但是,當(dāng)管道振動頻率變化時,相同振動加速度下渦街流量計儀表系數(shù)誤差會隨管道振動頻率增大而減小。這是因為,一-方面渦街流量計信號處理電路中含有放大和低通濾波環(huán)節(jié),對40Hz振動干擾無法濾除且有放大功能。另一方面,由于渦街流量計輸出脈沖與流速成正比、檢測旋渦的升力與流速平方和被測流體的密度成正比,所以在小流量時,渦街流量傳感器信號頻率低且幅值小，受低頻的管道振動干擾影響嚴(yán)重,輸出脈沖誤差大;隨著流量增加,渦街流量傳感器信號頻率變大且幅值增強(qiáng),受低頻的管道振動干擾影響減弱,輸出脈沖也隨之誤差變小。
綜合圖4、5可知,對于應(yīng)力式渦街流量計來說,垂直方向上的抗振性能均較差。當(dāng)管道振動頻率為40Hz、100Hz時,抗管道振動加速度為0.05g;當(dāng)管道振動頻率為200Hz時,抗管道振動加速度為0.1g。
2.4不同管道振動方向的試驗
為了比較不同方向管道振動對渦街流量計測量的影響,在水平方向管道振動條件下,重新進(jìn)行試驗,得到了管道振動頻率分別為40Hz、100Hz、200Hz,振動加速度分別為0.05g.0.1g.0.2g0.5g、1g時,渦街儀表系數(shù)誤差隨流量變化的曲線,如圖6所示。
通過水平方向管道振動與垂直方向試驗結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)兩種情況下,管道振動頻率和振動加速度對儀表系數(shù)誤差的影響趨勢類似;但是,水方向較之垂直方向儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。依據(jù)擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn),將此應(yīng)力式渦街流量計在不同振動方向上，抗管道振動性能小結(jié)如表2。
3結(jié)論
為研究管道振動對渦街流量計測量的影響，利用氣體流量管道振動試驗裝置,在相同流量范圍內(nèi),分別在不同管道振動加速度頻率方向上對應(yīng)力式渦街流量計進(jìn)行振動試驗研究,得到以下結(jié)論:
(1)渦街流量計儀表系數(shù)誤差隨管道振動加速度的增加而變大,整體抗振性能較差，以管道振動頻率100Hz為例,垂直方向抗振加速度為0.05g,水平方向抗振加速度為0.2g。
(2)在相同管道振動加速度條件下,無論振動頻率如何變化,渦街流量計儀表系數(shù)誤差隨流量增大有減小趨勢,小流量下受管道振動影響最大。
(3)在相同管道振動加速度條件下,渦街流量計儀表系數(shù)誤差隨管道振動頻率的增大而減小。
(4)水平管道振動方向較之垂直方向，渦街流量計儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。
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