摘要：選擇傳統(tǒng)應(yīng)力式渦街流量計(jì),通過管道振動條件下的測量試驗(yàn)結(jié)合頻譜分析方法,研究其抗振性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,不考慮其下限流速,振動頻率為40Hz時(shí),只有在0.05g管道振動加速度的情況下,才能正常工作。
0引言
渦街流量計(jì)利用流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的振動進(jìn)行流量測量[1-2],因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無可動部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)而被廣泛使用”。正是因?yàn)槠湟粤黧w振動為測量原理,在管道振動的情況下,渦街流量計(jì)的使用受到了限制。
國內(nèi)外諸多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對渦街流量計(jì)抗振性和振動環(huán)境下渦街流量計(jì)的使用進(jìn)行了大量研究[4-7]。本文以國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力式渦街流量計(jì)作為研究對象,在氣體流量管道振動試驗(yàn)裝置上,在相同流速范圍內(nèi)進(jìn)行了相同振動頻率不同振動加速度的管道振動試驗(yàn)，研究了應(yīng)力式渦街流量計(jì)在管道振動條件下的抗振性能。
1試驗(yàn)裝置
圖1為氣體流量管道振動試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。為避免氣體壓力波動,空氣壓縮機(jī)先將大氣中的空氣壓縮打人穩(wěn)壓儲氣罐中，高溫壓縮空氣經(jīng)過冷千機(jī)冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)氣路總閥、氣動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)表)、渦街流量計(jì)(被校表)后,最終通向大氣。本文選用的振動臺,具有頻率調(diào)節(jié)(1~400Hz)、簡易調(diào)整加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能,從而使設(shè)定頻率下不同振動加速度的管道振動試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn))。
試驗(yàn)中對渦街流量計(jì)的流量校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法,即由渦輪流量計(jì)測得的流量值和渦輪流量計(jì)表前壓力變送器測得的壓力值便可換算得到流經(jīng)被測渦街流量計(jì)的體積流量(管路中氣體溫度變化很小,忽略不計(jì))。標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)的最大允許誤差為±1%,內(nèi)徑為50mm，流量范圍為5~100m3/h;兩個(gè)壓力變送器的最大允許誤差均為±2%
2試驗(yàn)條件
為了分析管道振動對渦街流量計(jì)測量的影響，分別在5,7.5,11,15.5,20.5m/s五個(gè)流速,施加豎直方向振動,振動頻率40Hz,振動的加速度分別為0.05g,0.1g,0.2g,0.5g。
3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析
選用國內(nèi)生產(chǎn)的普通應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì),在圖1所示的氣體管道振動試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測量試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。將測量數(shù)據(jù)整理分析，繪制其不同加速度振動條件下儀表系數(shù)相對于無管道振動時(shí)儀表系數(shù)的相對誤差曲線如2所示。
在相同的振動加速度下不同流速對渦街流量計(jì)測量影響的程度是不同的。低流速時(shí)渦街流量計(jì)受管道振動影響更加嚴(yán)重,輸出脈沖的頻率即為管道振動的頻率。在振動加速度較大時(shí)，低流速點(diǎn)5m/s處的儀表系數(shù)的相對誤差集中在-一點(diǎn)。隨著流速的升高,渦街流量計(jì)受管道振動影響根據(jù)振動加速度的不同可分為以下幾種情況:1)管道振動加速度為0.05g、0.1g時(shí),渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速的升高而減小，最終減小至零;2)管道振動加速度為0.2g時(shí),渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，最終減小至零;3)管道振動加速度為0.5g時(shí),渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，但最終未減小至零。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于,應(yīng)力式渦街流量計(jì)是利用壓電探頭對交替作用在旋渦發(fā)生體上的升力的檢測進(jìn)而獲得渦街頻率的，而作用在旋渦發(fā)生體上的升力與被測流體的密度和流速平方成正比。小流量時(shí)升力幅值小，易受到管道振動的干擾,當(dāng)振動加速度較大時(shí)，振動信號的幅值超過了渦街升力的幅值,有用信號幾乎完全被淹沒,只能檢測到管道振動信號,故渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差集中在一點(diǎn)。隨著流速升高,作用在旋渦發(fā)生體上的升力幅值成平方倍的增長,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(shí)，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強(qiáng),最終能夠抑制管道的振動信號使儀表系數(shù)相對誤差減小至零;當(dāng)管道振動加速度為后兩種情況時(shí),在低流速下,檢測到的信號完全是振動信號,以此固定的管道振動頻率作為渦街的頻率信號,得出的儀表系數(shù)當(dāng)然隨著流速的升高而減小，儀表系數(shù)繼續(xù)降低,相對誤差增大，隨著流速的升高，渦街信號幅度增大,信噪比相對提高時(shí),相對誤差隨之減小。而振動加速度為0.5g的振動信號相對較強(qiáng),渦街信號的幅值隨著流速的升高雖然有大幅提升,但仍無法完全有效地抑制管道振動信號,儀表系數(shù)相對誤差有所減小,但不能減至零。
此外,除最低流速點(diǎn)外,相同流速下渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)相對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)致管道振動干擾的幅度變大,對渦街流量計(jì)信號輸出造成更加惡劣的影響。由以上試驗(yàn)以及分析可以看出,普通模擬渦街流量計(jì)抗管道振動的性能很差,不考慮其下限流速,振動頻率為40Hz時(shí),只有在0.05g管道振動加速度的情況下,才能正常工作。
4試驗(yàn)信號頻譜分析
為了觀測管道振動情況下渦街流量信號的特征,在上述試驗(yàn)中還啟用了基于計(jì)算機(jī)的信號采集系統(tǒng),分別在上述五個(gè)流速下，對經(jīng)過電荷放大和.低通濾波后的渦街正弦信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,利用頻譜分析軟件繪制出其對應(yīng)的頻譜圖。由前面對測量數(shù)據(jù)分析可知,0.05g和0.5g兩個(gè)振動加速度情況下的渦街特性具備一定的代表性。故此處僅以0.05g和0.5g兩個(gè)振動加速度情況下的渦街信號為例,說明其振動條件下的渦街信號的情況。其他振動加速度的信號情況均介于這兩種情況之間。
由圖3可知，在5m/s和7.5m/s兩個(gè)低流速點(diǎn)時(shí),振動信號比較強(qiáng),渦街信號受到嚴(yán)重影響，流量計(jì)輸出的脈沖頻率不是渦街頻率,而是振動信號與渦街信號合成的頻率,造成了流量計(jì)的測量誤差。隨著流速的增大,渦街的真實(shí)信號逐漸顯露出來,振動信號相對比較微弱,被渦街真實(shí)的信號淹沒,此時(shí)流量計(jì)輸出的脈沖頻率即為渦街信號的真實(shí)頻率。
從圖3和圖4可以看出,0.5g振動加速度情況下,渦街信號受管道振動的影響程度與0.05g振動加速度相比要嚴(yán)重得多。雖然仍存在隨著流速的增大,渦街信號逐漸增強(qiáng)的趨勢，但是在整個(gè)試驗(yàn)測量范圍內(nèi),渦街信號都沒有完全顯露出來,而都是振動信號占據(jù)了主導(dǎo)地位。只有當(dāng)流速比較高時(shí)，振動信號中才疊加了渦街信號,而當(dāng)流速相對比較低時(shí),渦街信號完全被振動信號淹沒。儀表輸出的脈沖頻率為振動信號的頻率。因此可以解釋圖2相對誤差曲線中0.5g振動加速度情況下,誤差比較大,而且最終仍然沒有歸零的原因。
5小結(jié)
本文以應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力式渦街流量計(jì)作為研究對象,對其進(jìn)行管道振動條件下的測量試驗(yàn),分析其信號頻譜的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,不考慮其下限流速，振動頻率為40Hz時(shí),只有在0.05g管道振動加速度的情況下，才能正常工作。
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