摘要:為了提高渦街流量計(jì)的抗干擾性和穩(wěn)定性并保證測(cè)量精度,提出了一種基于管壁差壓的旋渦頻率檢測(cè)新方法.在水和空氣不同管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的情況下進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).應(yīng)用旋渦動(dòng)力學(xué)和流體阻抗法,分析了取壓位置和引壓管頻率特性因素對(duì)該方法測(cè)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(duì)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(cè)流量下限低.引壓管的長(zhǎng)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(jiǎn)便可靠,適應(yīng)性強(qiáng),測(cè)量下限低.
旋渦頻率的檢測(cè)是渦街流量計(jì)的關(guān)鍵,壓電晶體法是目前最為常用的檢測(cè)方法.但是壓電晶體檢測(cè)法存在兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題:1)壓電晶體對(duì)管道的振動(dòng)較敏感.2)壓電晶體長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性差.為了解決上述問(wèn)題,研究人員從傳感器的結(jié)構(gòu)形式和流量信號(hào)的分析處理等方面進(jìn)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(xué)基本原理,在對(duì)渦街流量計(jì)流場(chǎng)數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上提出了渦街流量計(jì)旋渦頻率檢測(cè)的管壁差壓法,并對(duì)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(jiǎn)便可靠,不干擾管道內(nèi)的流動(dòng),抗干擾性強(qiáng),從而形成一種新型.的渦街流量計(jì),即管壁差壓式渦街流量計(jì)本文在已有的研究基礎(chǔ)上,應(yīng)用旋渦動(dòng)力學(xué)和流體阻抗法的有關(guān)原理,從取壓位置和差壓檢測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)方面人手,分析了各種因素對(duì)管璧差壓式渦街流量計(jì)測(cè)量的影響,提出了相應(yīng)的解決方案,為優(yōu)化測(cè)量提供了指導(dǎo).
1測(cè)量原理與特點(diǎn)
在渦街流量計(jì)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(huì)導(dǎo)致附近流場(chǎng)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(duì)應(yīng),因此可以通過(guò)檢測(cè)發(fā)生體尾流中某確定的兩點(diǎn)間的波動(dòng)差壓來(lái)測(cè)量旋渦頻率,從而實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量.由于發(fā)生體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上的相位差為180°,且振動(dòng)幅度和頻率相等,因此將差壓取壓位置選取在管壁上的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)更利于檢測(cè),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(cè)方法相比,管壁差壓法具有以下明顯優(yōu)勢(shì):1)引壓系統(tǒng)對(duì)管內(nèi)待測(cè)介質(zhì)流動(dòng)幾乎沒(méi)有影響;2)傳感器系統(tǒng)獨(dú)立于旋渦發(fā)生體,并且位于管道外面，維修和更換時(shí)不需要切斷管流拆卸旋渦發(fā)生體,可以實(shí)現(xiàn)傳感器在線(xiàn)維修和更換;3)與壓電晶體法相比，具有較強(qiáng)的抗干擾性;4)可測(cè)流量下限低.
2過(guò)程與裝置
在管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)分別為水和空氣的情況下均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),整個(gè)測(cè)試由動(dòng)力設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)流量表、前直管段、實(shí)驗(yàn)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)流量表分別為鐘罩標(biāo)準(zhǔn)流量裝置和電磁流量計(jì),它們的精度均為0.5級(jí).測(cè)得的管壁差壓經(jīng)過(guò)放大,由數(shù)字示波器記錄保存,再導(dǎo)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析.
3取壓位置的影響
3.1渦街流計(jì)內(nèi)的旋渦特性
由于管壁的約束,渦街流量計(jì)中旋渦的產(chǎn)生和脫落特性并不和自由流場(chǎng)中的情況完全相同.渦街流量計(jì)中旋渦發(fā)生體下游的旋渦區(qū)可以分為3個(gè)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)度.
由于d、D、x,和xk均為常數(shù),根據(jù)式(1),(2)可見(jiàn),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(shí)驗(yàn)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(jì)
用于測(cè)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(duì)于渦街流量計(jì),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(dòng)介質(zhì)、不同取壓位置的St與Re的對(duì)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(duì)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(dòng)介質(zhì)和取壓位置對(duì)管壁差壓式渦街流量計(jì)的測(cè)量影響很小.
3.2.2最小可測(cè)流速
渦街流量計(jì)測(cè)量下限的拓展一直是研究的熱點(diǎn).各種情況的最小可測(cè)流速及常規(guī)渦街流量計(jì)的測(cè)量下限列于表2.在實(shí)驗(yàn)中,越靠近發(fā)生體,旋渦的旋度強(qiáng)，測(cè)量的靈敏度高，不論是水還是空氣,最小可測(cè)流量都是隨取壓位置的后移而增大.當(dāng)測(cè)量水時(shí),位置1的測(cè)量下限僅為常規(guī)表的52%;當(dāng)測(cè)量空氣時(shí),位置1的測(cè)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(jì)的測(cè)量下限,將取壓位置適當(dāng)靠近發(fā)生體能進(jìn)一步降低測(cè)量下限.
引壓管的影響
4.1引壓管動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)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(zhǎng)度為Ɩ0,平均導(dǎo)納為YƖ0,輸入的管壁正弦脈動(dòng)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(zhǎng)度的傳播常數(shù);Z和Y分別為單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納;Zc=√Z/Y為管路的特性阻抗;δ為差壓測(cè)量的絕對(duì)誤差;K。為壓力脈動(dòng)影響系數(shù).
在兩段引壓管長(zhǎng)度較短且相差不大,差壓傳感器壓力腔室很小的條件下,當(dāng)輸人差壓脈動(dòng)頻率ƒ低于引壓管的基本頻率ƒ。的1/2時(shí)，Kp<0.03,δ值較小;當(dāng)ƒ>0.5ƒ。時(shí),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(cè)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(gè)旋渦周期內(nèi)管壁差壓的最大值和最小值;N為檢測(cè)的總周期數(shù). `Pmx值反映了旋渦強(qiáng)度的大小,應(yīng)隨流量的增加而增大.實(shí)驗(yàn)`Pmx與qv的關(guān)系如圖4所示,當(dāng)圖4(a)中給出的是流動(dòng)介質(zhì)為水時(shí),從3對(duì)不同取壓位置測(cè)量的`Pmx隨qv的分布情況,可見(jiàn)3條曲線(xiàn)均隨qv的增加而單調(diào)遞增,較好地符合了理論預(yù)測(cè);圖4(b)中所示的是流動(dòng)介質(zhì)為空氣時(shí)的情況,3條曲線(xiàn)的形狀相似,當(dāng)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(dāng)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(dāng)流量qv=83m3/h時(shí)，旋渦頻率ƒ=213Hz,K=2.5680Hz·h/m;引壓管的長(zhǎng)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(dāng)qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,Kp隨ƒ的增加而顯著上升,差壓測(cè)量的絕對(duì)誤差δ值增大.因此較低的引壓管固有頻率阻礙了測(cè)壓系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)管壁差壓的響應(yīng),從而造成較大的測(cè)量誤差,與理論關(guān)系不符.為了克服或減小引壓管對(duì)測(cè)量的影響,應(yīng)盡量縮短引壓管的長(zhǎng).度.但是管壁差壓幅值的誤差并沒(méi)有影響頻率的測(cè)量,對(duì)St和K的影響甚小,也即流量的測(cè)量幾乎不會(huì)受影響,說(shuō)明管壁差壓法的強(qiáng)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(duì)管壁差壓式渦街流量計(jì)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(jì)的測(cè)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(cè)得的最小流速低于遠(yuǎn)離迎流面的地方;
(3)引壓管的響應(yīng)頻率對(duì)管壁差壓式渦街流量計(jì)的測(cè)量有著重要的影響,為了保證準(zhǔn)確測(cè)量,應(yīng)盡量縮短引壓管的長(zhǎng)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(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,因此進(jìn)一步工作將圍繞著該方法在旋轉(zhuǎn)流、脈動(dòng)流等惡劣工況下的性能展開(kāi).
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