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采用實驗測試方法研究三傳感器氣體渦輪流量計

采用實驗測試方法研究了三傳感器氣體渦輪流量計性能.三個動態壓力傳感器周向均布安裝在流量計喉部同一橫截面.實驗流量計尺寸為DN50,實驗在流量為0.25~127 m3/h的音速噴嘴裝置上進行,流量測試范圍為20~100 m3/h.主要檢測和分析旋渦進動頻率特性和脈動壓力信號強度.結果表明,實驗流量范圍內旋渦進動頻率與流量之間呈線性關系;雙傳感器相對布置和三傳感器周向均勻布置情況下,壓力差分信號的RMS值分別增大到單個傳感器的1.7倍和2.8倍;三傳感器布置方案較雙傳感器方案可進一步提高該類型流量計小流量測量的能力.
  渦輪流量計是根據旋渦進動現象設計的一種流體振蕩式流量計,其主要特點是無可動部件,上、下游直管段要求低,線性測量量程范圍寬,不易受介質黏度和密度影響,對測量介質的適應性廣,因而在氣體、液體、蒸汽,特別是腐蝕性以及較臟的流體計量中有很大優勢.目前,渦輪流量計在石油天然氣和化工領域有較多應用[1-4].國內外對渦輪流量計進行了一些研究.
  1991年Heinrichs[5]采用差分傳感器做了擴展渦輪流量計量程下限的實驗研究.1999年Cas-cetta和Scalabrini[6]對渦輪流量計做了實際工況下的儀表特征測試,探索該流量計在計量領域應用的可行性.2001年Fu和Yang[7]應用流體力學仿真對渦輪流量計的流場特性進行了研究,并提出用信號差分處理方法提高渦輪流量計抗干擾能力.2002年,彭杰剛等[8]對于傳感器感應面方位進行了實驗研究,發現傳感器徑向安裝、感應面平行于流量計軸線時所得信號最好,同時提出了采用雙傳感器徑向相對安裝并進行信號差分處理以提高信號強度,消除和減弱噪音影響.其后,彭杰綱等[9-12]對渦輪流量計流體振動特性、傳感器壓力信號處理及內部流場進行實驗和數值模擬分析,獲得了旋渦進動效應流場的演變情況、較佳的傳感器安裝方式以及脈動流場對渦輪流量計測量的影響等信息,同時提出利用FFT相位判別來消除流場脈動干擾的方法.何馨雨等[13]采用數值模擬方法研究了渦輪流量計內部流動特性,對于傳感器安裝位置提出了建議.周凱等[14]對渦輪流量計結構參數進行了優化研究,為設計工作中傳感器安裝位置、喉部收縮比、擴張角的選擇提供了依據.
  目前,研究和設計人員對于采用雙傳感器相對布置(即,相位差180°)普遍認可.這種方式在抗干擾方面效果良好.但是,業內對于下限流量(始動流量)偏大、系列設計缺乏理論依據等問題還是不滿意,故有必要進行進一步研究.從上述研究工作來看,對于雙傳感器布置方式如何影響流量計壓力差分信號強度還缺乏比較系統的研究,也沒有信號增強的定量數據.另外,雙傳感器方式理論上講可以抵消傳感器安裝徑向同相震動等干擾信號,而對于截面其它方向(如與之正交的另一個徑向)的噪聲信號無法抵消.如果采用三個傳感器同一截面周向布置,進行信號差分處理后,將可以對截面內各個方向的噪聲信號予以抵消或減弱,同時提高有用信號的強度,這樣就有可能進一步拓展渦輪流量計測量下限.本文對雙傳感器和三傳感器布置方案進行實驗研究,對比兩者在提高信號強度方面的效果,探討采用三傳感器方案進一步提高渦輪流量計小流量測量能力.
  1 三傳感器渦輪流量計工作原理
 渦輪流量計內部流動旋渦進動示意圖.流體經過起旋器后形成旋渦流,旋渦流動在經過收縮段、發展段后進入擴張段,在這里旋流的旋轉中心軸,即“渦核”,會偏離中心軸,作螺旋狀的進動.旋渦進動頻率f與流量qv成正比,測得旋渦進動頻率即能反映流量的大小.這就是渦輪流量計的基本工作原理.進動頻率通常是采用動態壓力傳感器測量脈動壓力信號來獲得.當采用兩支壓力傳感器相對布置時(圖2a),所得壓力信號進行差分處理后,可以消除或減弱外界振動的干擾引起的同相位噪音信號,同時有效信號能夠得以加強.簡單推導如下:
  其中:A—信號幅值;α—相位角;ε—同相位的噪聲信號.
  將P1與P2進行差分,
  可見,差分后信號幅值增加到原來的2倍.當采用三個傳感器,周向均勻布置時(圖2b),三個傳感器壓力信號分別為:
  可見,三個傳感器的信號經差分求和處理后,信號強度可增大為原來的3倍.
  2 實驗裝置
  實驗所用氣體渦輪流量計公稱直徑為DN50,流量計長度為232 mm,進出口管徑50 mm,收縮段長度94.2 mm,發展段(喉部)直徑為36 mm,長度為35.8 mm,擴張段長為12 mm,擴張角度為60°,起旋器葉片數量為6片,葉片厚度2.5 mm,螺旋角30°,入口沒有加裝導流葉片.
  實驗是在中國計量學院音速噴嘴氣體流量標準裝置上進行的(圖3).該流量標準裝置主要包括真空泵、容器罐、音速噴嘴、控制閥門和控制軟件等,系統負壓運行,流量通過計算機程序設定,流量范圍為0.25~127 m3/h,系統流量誤差小于0.2%.實驗中,將所選流量計水平安裝在音速噴嘴裝置DN50口徑的進口管道上
  流量計旋渦進動頻率采用單晶硅壓力傳感器進行測量,傳感器直徑為10 mm,量程為±2.5 kPa,提供0~5 V的輸出,響應頻帶0~20 kHz.傳感器安裝于流量計發展段末端位置,傳感頭前端進入流量計流動通道內部6 mm,根據周凱等[14]的研究結果,這個位置壓力脈動信號比較強.為了進行對比,實驗中采用了雙傳感器和三傳感器兩種方案.雙傳感器方案中,兩個傳感器相對布置在同一截面;三傳感器方案中,三傳感器均勻布置,即互相間隔120°.壓力傳感器測量數據由NI公司9205數據采集卡進行采集.
  實驗中,針對雙傳感器和三傳感器方式,分別在20~100 m3/h之間選取了5個流量點進行了測量.動態壓力采樣頻率4 kHz,采樣時間為10 s.
  3 實驗結果及討論
  3.1 壓力信號時域圖和頻域圖
  雙傳感器和三傳感器壓力測量數據.其中,左列為時間序列信號,單個傳感器測量數據,以及兩個或三個傳感器的壓力差分信號都在圖中給出.從圖中曲線可以看出,壓力周期性脈動特征非常明顯,不同傳感器的壓力信號周期相同,而相位不同.為了得到壓力脈動頻率,對信號進行了頻域分析.圖4和圖5中右列為壓力差分信號的功率譜曲線.單支傳感器的壓力信號的功率譜曲線中頻率特性與差分信號一樣,因此沒有給出曲線圖.圖中功率譜曲線上出現的主要峰對應的頻率就是旋渦進動頻率,可見旋渦進動頻率隨著流量的增大而增大.圖6顯示了旋渦進動頻率與流量之間的關系.在測量范圍內,無論是雙傳感器還是三傳感器,旋渦進動頻率與流量之間顯示很強的線性關系.表1中列出了旋渦進動頻率的具體數值,流量從20 m3/h增大到100 m3/h時,旋渦進動頻率從128 Hz增大到大約640 Hz.而雙傳感器和三傳感器數據存在細微偏差,這主要是由于兩次實驗中環境溫度差別引起的
  對于安裝于渦輪流量計的傳感器來說,主要目的是檢測旋渦進動頻率,因此關心的主要是壓力脈動值,即壓力脈動的強弱,這項指標可以由壓力脈動信號的均方根值(RMS)體現.RMS值的計算公式為:\
  式(5)中:Pi—瞬時壓力;-P—平均壓力;N—壓力數據個數.
  壓力信號的RMS值曲線圖.圖中顯示壓力信號RMS值隨著流量增大而增大.而雙傳感器和三傳感器差分信號的RMS值比單支傳感器信號明顯增強.表2給出了RMS值的具體數值.在整個流量測試范圍內,雙傳感器和三傳感器信號差分后強度分別增大到單支的大約1.7倍和2.8倍.制約渦輪流量計小流量測量性能的因素主要有以下3個:(1)旋渦進動流體力學機制方面.在流量比較小的情況下,流體流過起旋器后不能產生或產生極微弱的旋渦進動信號,無法引起足夠強的流體壓力或速度脈動,此時渦輪流量計無法工作;(2)由于管壁振動等干擾信號的影響,測量系統信噪比過低,無法進行有效的流量測量;(3)由于傳感器靈敏度限制,只有流動的脈動信號達到最低強度要求,才能實現有效測量.對于前兩項因素,本文研究并未涉及;而對于第三個因素,當采用本研究中三傳感器方案時,信號強度得以加強,因此渦輪流量計測量下限流量可以獲得進一步拓展.但是具體能夠測量的最小流量極限,還有待于通過對采用這種方案設計的流量計樣機進行測試來確定.
  3.2 壓力信號的相位關系
  相位相干譜線可以體現兩個信號之間在相應頻率上的相位關系.圖8為30 m3/h流量情況下雙傳感器壓力信號的相位相干譜線.圖中顯示,在旋渦進動頻率(即,頻率大約為190 Hz),兩個信號之間的相位差為大約180°,剛好反相.圖9為三傳感器壓力信號相互之間的相位相干譜線,傳感器1與2相差大約120°,傳感器1與3相差大約-120°,傳感器2與3相差也是大約120°.對于其它流量時的脈動壓力信號也進行了相位分析,結果與30 m3/h流量的結果類似.可見,實際測試結果與公式(1)~(4)中的假設一致,證明了理論分析結果的可信性.
  針對氣體渦輪流量計安裝兩個和三個壓力傳感器的方案進行了實驗研究,得到如下結論.
  1)測試數據表明雙傳感器相對布置和三傳感器周向均勻布置情況下,壓力差分信號的RMS值分別增大到單個傳感器的1.7倍和2.8倍,表明信號強度明顯增強.三傳感器布置方案可進一步提高流量計對于小流量測量的能力.
  2)采用雙傳感器方案時,壓力信號相位差為大約180°;三傳感器周向均布方案時,傳感器相互之間的相位差為120°,與理論相符.

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