摘要:爲了(le)提高渦街(jiē)流量計 的(de)抗幹擾性(xing)和穩定性(xing)并保證測(ce)量精度,提(ti)出了一種(zhǒng)基于管壁(bi)差壓的旋(xuán)渦頻率檢(jian)測新方法(fǎ).在水和空(kōng)氣不同管(guan)内流動介(jie)質的情況(kuàng)下進行了(le)系統實驗(yàn).應用旋渦(wō)動力學和(he)流體阻抗(kang)法,分析了(le)取壓位置(zhì)和引壓管(guǎn)頻率特性(xìng)因素對該(gāi)方法測量(liàng)性能的影(ying)響.結果表(biǎo)明,在旋渦(wo)發生體下(xia)遊的一定(dìng)距離内,取(qǔ)壓位置對(dui)該方法的(de)斯特勞哈(hā)爾數和儀(yí)表系數的(de)影響很小(xiao)，較靠近旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面的(de)地方可測(ce)流量下限(xian)低.引壓管(guan)的長度應(ying)盡量短,并(bìng)且保證其(qí)固有頻率(lǜ)與渦街頻(pín)率相差較(jiào)大該方法(fǎ)簡便可靠(kào),适應性強(qiáng),測量下限(xiàn)低.
　　旋渦頻(pin)率的檢測(ce)是渦街流(liú)量計的關(guan)鍵,壓電晶(jing)體法是目(mu)前最爲常(chang)用的檢測(cè)方法.但是(shi)壓電晶體(tǐ)檢測法存(cun)在兩個嚴(yan)重的問題(tí):1)壓電晶體(tǐ)對管道的(de)振動較敏(min)感.2)壓電晶(jing)體長期使(shǐ)用的穩定(ding)性差.爲了(le)解決上述(shu)問題,研究(jiu)人員從傳(chuán)感器的結(jie)構形式和(he)流量信号(hao)的分析處(chù)理等方面(mian)進行了廣(guang)泛深人的(de)研究,取得(de)了大量的(de)成果,但是(shì)都難以從(cong)根本上予(yu)以解決.
　　 根(gēn)據流體力(lì)學基本原(yuan)理,在對渦(wō)街流量計(jì)流場數值(zhi)仿真的基(jī)礎上提出(chū)了渦街流(liu)量計旋渦(wo)頻率檢測(ce)的管壁差(chà)壓法,并對(dui)在不同管(guǎn)徑方向的(de)取壓位置(zhì)也作了研(yán)究.結果表(biǎo)明,該方法(fǎ)簡便可靠(kao),不幹擾管(guǎn)道内的流(liú)動,抗幹擾(rao)性強,從而(er)形成一種(zhong)新型.的渦(wō)街流量計(ji),即管壁差(cha)壓式渦街(jiē)流量計本(běn)文在已有(you)的研究基(jī)礎上,應用(yòng)旋渦動力(li)學和流體(tǐ)阻抗法的(de)有關原理(li),從取壓位(wei)置和差壓(ya)檢測系統(tǒng)兩個方面(mian)人手,分析(xī)了各種因(yīn)素對管璧(bi)差壓式渦(wo)街流量計(jì)測量的影(ying)響,提出了(le)相應的解(jiě)決方案,爲(wei)優化測量(liàng)提供了指(zhi)導.
1測量原(yuán)理與特點(diǎn)
　　 在渦街流(liu)量計中,有(you)旋渦産生(sheng)的地方必(bi)有壓力的(de)變化,交替(ti)産生的旋(xuan)渦必然會(hui)導緻附近(jin)流場的壓(ya)力出現規(guī)則的變化(huà),其變化的(de)頻率與旋(xuán)渦的頻率(lü)一一對應(yīng),因此可以(yǐ)通過檢測(cè)發生體尾(wěi)流中某确(què)定的兩點(dian)間的波動(dòng)差壓來測(ce)量旋渦頻(pin)率,從而實(shi)現流量的(de)測量.由于(yú)發生體兩(liang)側對稱點(diǎn)上的相位(wei)差爲180°,且振(zhèn)動幅度和(hé)頻率相等(děng),因此将差(cha)壓取壓位(wei)置選取在(zài)管壁上的(de)對稱點更(gèng)利于檢測(cè),如圖1所示(shì),其中圖1(a)、(b)分(fèn)别爲沿着(zhe)管道軸向(xiang)和徑向的(de)截面圖.
　　 數(shù)值仿真結(jié)果都表明(ming),與目前常(cháng)用旋渦頻(pin)率檢測方(fang)法相比,管(guǎn)壁差壓法(fa)具有以下(xia)明顯優勢(shì):1)引壓系統(tong)對管内待(dài)測介質流(liú)動幾乎沒(méi)有影響;2)傳(chuan)感器系統(tong)獨立于旋(xuán)渦發生體(tǐ),并且位于(yú)管道外面(miàn)，維修和更(gèng)換時不需(xu)要切斷管(guǎn)流拆卸旋(xuán)渦發生體(tǐ),可以實現(xiàn)傳感器在(zai)線維修和(hé)更換;3)與壓(yā)電晶體法(fǎ)相比，具有(you)較強的抗(kàng)幹擾性;4)可(kě)測流量下(xià)限低.
 
2過程(cheng)與裝置
　　 在(zai)管内流動(dong)介質分别(bie)爲水和空(kōng)氣的情況(kuàng)下均進行(háng)了實驗,整(zheng)個測試由(yóu)動力設備(bèi)、穩壓設備(bei)、标準流量(liang)表、前直管(guan)段、實驗段(duàn)和後直管(guan)段6部分組(zu)成.管道的(de)内直徑D=50mm,旋(xuán)渦發生體(tǐ)的橫截面(mian)爲梯形,迎(yíng)流面寬度(dù)d=14mm,管壁差壓(ya)的取壓孔(kǒng)選擇在發(fa)生體後的(de)三對不同(tong)位置1、2、3,它們(men)分别位于(yu)距發生體(tǐ)迎流面0.2D、0.5D、D的(de)下遊，其中(zhōng)D爲管道内(nei)直徑,如圖(tu)2所示.
　　 空氣(qì)和水的标(biāo)準流量表(biǎo)分别爲鍾(zhōng)罩标準流(liú)量裝置和(hé)電磁流量(liang)計,它們的(de)精度均爲(wei)0.5級.測得的(de)管壁差壓(yā)經過放大(da),由數字示(shì)波器記錄(lu)保存,再導(dao)人計算機(jī)進行處理(lǐ)分析.
 
3取壓(yā)位置的影(yǐng)響
3.1渦街流(liú)計内的旋(xuan)渦特性
　　 由(you)于管壁的(de)約束,渦街(jiē)流量計中(zhōng)旋渦的産(chan)生和脫落(luo)特性并不(bú)和自由流(liú)場中的情(qing)況完全相(xiàng)同.渦街流(liu)量計中旋(xuán)渦發生體(ti)下遊的旋(xuán)渦區可以(yǐ)分爲3個區(qu)段，即密集(jí)發展段、穩(wěn)定段和旋(xuan)渦消散段(duàn).在密集發(fa)展段,旋渦(wō)旋度2(即渦(wo)量)沿流動(dòng)方向x的變(bian)化規律爲(wei).
 
　　式中:v爲管(guǎn)内平均流(liú)速,D爲管道(dào)内直徑,d爲(wei)旋渦發生(shēng)體迎流面(miàn)寬度,xs爲密(mi)集發展段(duan)的長度.
　　 在(zai)穩定段,旋(xuan)渦旋度爲(wèi)
 
　　式中:xk爲密(mi)集發展段(duan)和穩定段(duan)的總長度(du).
　　由于d、D、x,和xk均(jun1)爲常數,根(gēn)據式(1),(2)可見(jiàn),不論是在(zài)密集發展(zhan)段還是在(zai)穩定段,旋(xuan)渦旋度Ω都(dou)是正比于(yú)流速v,且随(sui)x的增大而(ér)減小.
　　在旋(xuán)渦消散段(duàn),由于流層(céng)之間的相(xiàng)互作用能(neng)量逐漸消(xiāo)耗,旋渦逐(zhu)漸消失.
3.2不(bu)同取壓位(wei)置的實驗(yàn)結果與比(bǐ)較
3.2.1斯特勞(lao)哈爾數和(he)儀表系數(shu)渦街流量(liang)計
　　用于測(cè)量的前提(ti)條件是在(zài)--定的雷諾(nuo)數Re範圍内(nèi)儀.表系數(shù)K保持爲常(cháng)數,對于渦(wo)街流量計(jì),由于K與斯(sī)特勞哈爾(er)數St存在如(rú)下關系:
 
　　因(yīn)此要求在(zài)一定的雷(lei)諾數Re範圍(wei)内St保持不(bu)變.不同流(liu)動介質、不(bú)同取壓位(wèi)置的St與Re的(de)對應關系(xì)如圖3(a)、(b)所示(shì).各種情況(kuàng)的St基本上(shang)保持爲常(cháng)數,且它們(men)的值均相(xiàng)等,約爲0.253.各(ge)種情況的(de)儀表系數(shù)列于表1,它(ta)們之間的(de)最大相對(duì)誤差小于(yu)1%,這表明在(zài)旋渦發生(shēng)體後一定(dìng)的距離内(nèi)，流動介質(zhì)和取壓位(wei)置對管壁(bi)差壓式渦(wō)街流量計(jì)的測量影(yǐng)響很小.
 
3.2.2最(zuì)小可測流(liú)速
　　渦街流(liu)量計測量(liang)下限的拓(tuò)展一直是(shì)研究的熱(rè)點.各種情(qing)況的最小(xiǎo)可測流速(su)及常規渦(wo)街流量計(jì)的測量下(xia)限列于表(biao)2.在實驗中(zhong),越靠近發(fa)生體,旋渦(wo)的旋度強(qiang)，測量的靈(líng)敏度高，不(bu)論是水還(hái)是空氣,最(zui)小可測流(liú)量都是随(sui)取壓位置(zhì)的後移而(ér)增大.當測(cè)量水時,位(wèi)置1的測量(liàng)下限僅爲(wei)常規表的(de)52%;當測量空(kōng)氣時,位置(zhì)1的測量下(xia)限爲常規(guī)表的75%,因此(cǐ)采用管壁(bi)差壓法能(néng)有效地降(jiàng)低渦街流(liu)量計的測(ce)量下限,将(jiāng)取壓位置(zhì)适當靠近(jìn)發生體能(neng)進一步降(jiang)低測量下(xia)限.
 
引壓管(guan)的影響
4.1引(yǐn)壓管動态(tai)特性的數(shù)學模型
　　根(gēn)據流體阻(zǔ)抗法的集(jí)中參數模(mó)型,若差壓(ya)傳感器兩(liǎng)根引壓管(guan)的平均長(zhǎng)度爲Ɩ0,平均(jun)導納爲YƖ0,輸(shū)入的管壁(bì)正弦脈動(dong)壓力差△pi=pil-pi2,則(zé)傳至差壓(yā)傳感器的(de)差壓爲
 
　　式(shi)中:F=√ZY爲引壓(yā)管單位長(zhang)度的傳播(bō)常數;Z和Y分(fèn)别爲單位(wèi)長度的串(chuan)聯阻抗和(he)并聯導納(nà);Zc=√Z/Y爲管路的(de)特性阻抗(kàng);δ爲差壓測(cè)量的絕對(duì)誤差;K。爲壓(ya)力脈動影(yǐng)響系數.
　　在(zài)兩段引壓(yā)管長度較(jiào)短且相差(cha)不大,差壓(yā)傳感器壓(yā)力腔室很(hěn)小的條件(jian)下,當輸人(ren)差壓脈動(dong)頻率ƒ低于(yu)引壓管的(de)基本頻率(lǜ)ƒ。的1/2時，Kp<0.03,δ值較(jiao)小;當ƒ>0.5ƒ。時,Kp随(sui)ƒ的增.加而(er)顯著上升(sheng),δ值較大.
4.2管(guǎn)壁差壓平(ping)均幅值的(de)測最偏差(chà)與讨論
管(guǎn)壁差壓平(ping)均幅值`Pmax定(dìng)義爲
 
　　式中(zhōng):Pmax.pmin,;分别爲第(di)i個旋渦周(zhou)期内管壁(bi)差壓的最(zui)大值和最(zuì)小值;N爲檢(jiǎn)測的總周(zhōu)期數. `Pmx值反(fan)映了旋渦(wō)強度的大(da)小,應随流(liú)量的增加(jiā)而增大.實(shi)驗`Pmx與qv的關(guan)系如圖4所(suǒ)示,當圖4(a)中(zhong)給出的是(shi)流動介質(zhi)爲水時,從(cong)3對不同取(qǔ)壓位置測(ce)量的`Pmx随qv的(de)分布情況(kuang),可見3條曲(qu)線均随qv的(de)增加而單(dān)調遞增,較(jiao)好地符合(hé)了理論預(yu)測;圖4(b)中所(suo)示的是流(liu)動介質爲(wei)空氣時的(de)情況,3條曲(qu)線的形狀(zhuàng)相似,當qv<83m3/h,`Pmx随(sui)流量的增(zēng)加而增大(da),在qv=83m3/h附近取(qǔ)得極大值(zhí),當qv>83m3/h,`Pmx不再随(sui)流量的增(zeng)加而增大(dà),而是急劇(ju)下降直至(zhi)qv>120m3/h後逐漸平(ping)緩遞增.
　　當(dang)流量qv=83m3/h時，旋(xuan)渦頻率ƒ=213Hz,K=2.5680Hz·h/m;引(yin)壓管的長(zhǎng)度Ɩ=0.20m,其固有(you)頻率ƒ0=c/(4Ɩ)=425Hz,c爲引(yǐn)壓管中介(jie)質的聲速(su)，則ƒ=0.5ƒ0..當qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,Kp随ƒ的(de)增加而顯(xiǎn)著上升,差(chà)壓測量的(de)絕對誤差(cha)δ值增大.因(yīn)此較低的(de)引壓管固(gù)有頻率阻(zu)礙了測壓(ya)系統對動(dong)态管壁差(chà)壓的響應(yīng),從而造成(cheng)較大的測(ce)量誤差,與(yu)理論關系(xì)不符.爲了(le)克服或減(jiǎn)小引壓管(guǎn)對測量的(de)影響,應盡(jin)量縮短引(yǐn)壓管的長(zhang).度.但是管(guan)壁差壓幅(fu)值的誤差(cha)并沒有影(yǐng)響頻率的(de)測量,對St和(he)K的影響甚(shen)小,也即流(liú)量的測量(liang)幾乎不會(huì)受影響,說(shuō)明管壁差(chà)壓法的強(qiáng)适應性和(hé)穩定性.
 
5結(jie)論
(1)在發生(shēng)體下遊的(de)一定距離(li)内,取壓位(wei)置對管壁(bì)差壓式渦(wō)街流量計(ji)的斯特勞(láo)哈爾數和(hé)儀表系數(shù)的影響很(hěn)小;
(2)管壁差(chà)壓式渦街(jiē)流量計的(de)測量下限(xian)随取壓位(wèi)置的不同(tóng)而顯著變(biàn)化，在旋渦(wō)發生體後(hou)的一定範(fàn)圍内,較靠(kào)近發生體(tǐ)迎流面的(de)地方測得(de)的最小流(liu)速低于遠(yuan)離迎流面(mian)的地方;
(3)引(yǐn)壓管的響(xiang)應頻率對(dui)管壁差壓(ya)式渦街流(liu)量計的測(cè)量有着重(zhòng)要的影響(xiang),爲了保證(zhèng)準确測量(liang),應盡量縮(suo)短引壓管(guan)的長度,并(bìng)且保證引(yin)壓管固有(you)頻率與渦(wō)街頻率相(xiàng)差較大.
　　由(yóu)于工業現(xian)場的流動(dòng)狀态複雜(za),因此進一(yi)步工作将(jiang)圍繞着該(gāi)方法在旋(xuán)轉流、脈動(dong)流等惡劣(liè)工況下的(de)性能展開(kai).

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