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數(shù)顯壓縮空氣流量計在不同流速時測量問題的分析研究
點擊次數(shù)：2340 發(fā)布時間：2021-01-08 05:09:46
本文概述：
目前工業(yè)生產(chǎn)中流量計的種類類別非常多，基于不同的測量原理進(jìn)行工作，力學(xué)原理、熱學(xué)原理、電學(xué)原理及光學(xué)原理等。
數(shù)顯壓縮空氣流量計是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產(chǎn)的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計。主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機(jī)械零件，因此可靠性高，維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。數(shù)顯壓縮空氣流量計采用壓電應(yīng)力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號，也有數(shù)字脈沖信號輸出，容易與計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種比較先進(jìn)、理想的測量儀器。
數(shù)顯壓縮空氣流量計在固有原理、結(jié)構(gòu)、安裝維護(hù)、運行費用和能耗等方面，有很大的優(yōu)勢，是目前氣體和低粘度液體的*佳選擇之一。但是數(shù)顯壓縮空氣流量計在某些方面具有技術(shù)難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，數(shù)顯壓縮空氣流量計檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、數(shù)顯壓縮空氣流量計的優(yōu)缺點
數(shù)顯壓縮空氣流量計在諸多應(yīng)用方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，數(shù)顯壓縮空氣流量計的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數(shù)長期不變。但是數(shù)顯壓縮空氣流量計在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于數(shù)顯壓縮空氣流量計的原始信號為頻率信號，致使數(shù)顯壓縮空氣流量計實際為一種數(shù)字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產(chǎn)生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關(guān)系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠(yuǎn)低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導(dǎo)致渦街信號微弱，極易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于數(shù)顯壓縮空氣流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結(jié)構(gòu)。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、數(shù)顯壓縮空氣流量計工作原理與結(jié)構(gòu)
2.1數(shù)顯壓縮空氣流量計的工作原理在日常生活中經(jīng)常能看到渦街現(xiàn)象，比如風(fēng)中的旗幟，由于旗桿產(chǎn)生的渦街而擺動，風(fēng)越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風(fēng)速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設(shè)計均需考慮渦街的破壞力。數(shù)顯壓縮空氣流量計就是參考日常生活中渦街現(xiàn)象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發(fā)生體）。當(dāng)流體流過時，在渦街發(fā)生體后兩側(cè)產(chǎn)生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比?？捎孟率奖硎荆篎=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發(fā)生體的流體的平均速度；d 為渦街發(fā)生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number），數(shù)值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過測量漩渦的頻率就可以計算出流過渦街發(fā)生體的流體平均速度 v，再由下式 ：Q=vA 可以求出流量 q。其中，A 為流體流過渦街發(fā)生體的截面積。
2.2數(shù)顯壓縮空氣流量計的結(jié)構(gòu) 數(shù)顯壓縮空氣流量計的基本結(jié)構(gòu)為傳感器和轉(zhuǎn)換器 2 大部分。傳感器包含渦街發(fā)生體、檢測元件等；轉(zhuǎn)換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等；渦街發(fā)生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發(fā)生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應(yīng)變片差動電容等。轉(zhuǎn)換器部分基本都智能化了，把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強(qiáng)、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數(shù)液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于數(shù)顯壓縮空氣流量計的原理，流量信號的強(qiáng)度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關(guān)系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產(chǎn)生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備極高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數(shù)千倍，由此導(dǎo)致數(shù)顯壓縮空氣流量計對于蒸汽管道的振動極為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是數(shù)顯壓縮空氣流量計在實際應(yīng)用中*大的問題。數(shù)顯壓縮空氣流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經(jīng)過放大電路和觸發(fā)裝置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉(zhuǎn)換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數(shù) A 和觸發(fā)器的門限電壓均可以進(jìn)行調(diào)整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉(zhuǎn)換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數(shù)為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發(fā)器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發(fā)器輸入的有效信號 u 遠(yuǎn)大于噪聲信號。因此，數(shù)顯壓縮空氣流量計正常工作的必要條件是：E > u > V。當(dāng)數(shù)顯壓縮空氣流量計測量低流速、小流量流體的時候，依據(jù)上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機(jī)械振動產(chǎn)生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結(jié)構(gòu)形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的辦法是在漩渦發(fā)生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機(jī)械振動產(chǎn)生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側(cè)是交替產(chǎn)生的，所以干擾產(chǎn)生的信號通過差動放大后，機(jī)械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強(qiáng)。于是，大大降低了機(jī)械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認(rèn)為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達(dá)到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發(fā)現(xiàn)：?80 及其以下的管線，經(jīng)常出現(xiàn)高于 80m/s 的高流速，其中有近一半的出現(xiàn)超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達(dá) 180m/s。一般的數(shù)顯壓縮空氣流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現(xiàn)象，出現(xiàn)難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現(xiàn)象使流量偏小 44.3%。針對這一現(xiàn)象，采用頻譜分析＋動態(tài)濾波，改善信號波動，消除“漏波”現(xiàn)象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側(cè)重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成分的大小，比時域圖像提供更具體更豐富的頻域圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應(yīng)用中，通常是設(shè)計濾波電路對電路進(jìn)行濾波。在測試測量中，往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素，通過對數(shù)顯壓縮空氣流量計傳感器原始信號直接進(jìn)行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結(jié)束語
由于數(shù)顯壓縮空氣流量計容易與數(shù)字電子設(shè)備配套使用，所是一種比較先進(jìn)、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，當(dāng)小流量、低流速或大流量、高流速的時候，對數(shù)顯壓縮空氣流量計提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應(yīng)的探討。為了使數(shù)顯壓縮空氣流量計盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低機(jī)械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產(chǎn)生漏波現(xiàn)象的問題，采用頻譜分析和動態(tài)濾波的方法，盡量減少漏波現(xiàn)象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。
數(shù)顯壓縮空氣流量計在不同流速時測量問題的分析研究
目前工業(yè)生產(chǎn)中流量計的種類類別非常多，基于不同的測量原理進(jìn)行工作，力學(xué)原理、熱學(xué)原理、電學(xué)原理及光學(xué)原理等。
數(shù)顯壓縮空氣流量計是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產(chǎn)的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計。主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機(jī)械零件，因此可靠性高，維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。數(shù)顯壓縮空氣流量計采用壓電應(yīng)力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號，也有數(shù)字脈沖信號輸出，容易與計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種比較先進(jìn)、理想的測量儀器。
數(shù)顯壓縮空氣流量計在固有原理、結(jié)構(gòu)、安裝維護(hù)、運行費用和能耗等方面，有很大的優(yōu)勢，是目前氣體和低粘度液體的*佳選擇之一。但是數(shù)顯壓縮空氣流量計在某些方面具有技術(shù)難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，數(shù)顯壓縮空氣流量計檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、數(shù)顯壓縮空氣流量計的優(yōu)缺點
數(shù)顯壓縮空氣流量計在諸多應(yīng)用方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，數(shù)顯壓縮空氣流量計的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數(shù)長期不變。但是數(shù)顯壓縮空氣流量計在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于數(shù)顯壓縮空氣流量計的原始信號為頻率信號，致使數(shù)顯壓縮空氣流量計實際為一種數(shù)字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產(chǎn)生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關(guān)系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠(yuǎn)低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導(dǎo)致渦街信號微弱，極易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于數(shù)顯壓縮空氣流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結(jié)構(gòu)。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、數(shù)顯壓縮空氣流量計工作原理與結(jié)構(gòu)
2.1數(shù)顯壓縮空氣流量計的工作原理在日常生活中經(jīng)常能看到渦街現(xiàn)象，比如風(fēng)中的旗幟，由于旗桿產(chǎn)生的渦街而擺動，風(fēng)越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風(fēng)速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設(shè)計均需考慮渦街的破壞力。數(shù)顯壓縮空氣流量計就是參考日常生活中渦街現(xiàn)象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發(fā)生體）。當(dāng)流體流過時，在渦街發(fā)生體后兩側(cè)產(chǎn)生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比?？捎孟率奖硎荆篎=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發(fā)生體的流體的平均速度；d 為渦街發(fā)生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number），數(shù)值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過測量漩渦的頻率就可以計算出流過渦街發(fā)生體的流體平均速度 v，再由下式 ：Q=vA 可以求出流量 q。其中，A 為流體流過渦街發(fā)生體的截面積。
2.2數(shù)顯壓縮空氣流量計的結(jié)構(gòu) 數(shù)顯壓縮空氣流量計的基本結(jié)構(gòu)為傳感器和轉(zhuǎn)換器 2 大部分。傳感器包含渦街發(fā)生體、檢測元件等；轉(zhuǎn)換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等；渦街發(fā)生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發(fā)生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應(yīng)變片差動電容等。轉(zhuǎn)換器部分基本都智能化了，把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強(qiáng)、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數(shù)液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于數(shù)顯壓縮空氣流量計的原理，流量信號的強(qiáng)度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關(guān)系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產(chǎn)生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備極高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數(shù)千倍，由此導(dǎo)致數(shù)顯壓縮空氣流量計對于蒸汽管道的振動極為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是數(shù)顯壓縮空氣流量計在實際應(yīng)用中*大的問題。數(shù)顯壓縮空氣流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經(jīng)過放大電路和觸發(fā)裝置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉(zhuǎn)換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數(shù) A 和觸發(fā)器的門限電壓均可以進(jìn)行調(diào)整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉(zhuǎn)換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數(shù)為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發(fā)器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發(fā)器輸入的有效信號 u 遠(yuǎn)大于噪聲信號。因此，數(shù)顯壓縮空氣流量計正常工作的必要條件是：E > u > V。當(dāng)數(shù)顯壓縮空氣流量計測量低流速、小流量流體的時候，依據(jù)上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機(jī)械振動產(chǎn)生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結(jié)構(gòu)形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的辦法是在漩渦發(fā)生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機(jī)械振動產(chǎn)生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側(cè)是交替產(chǎn)生的，所以干擾產(chǎn)生的信號通過差動放大后，機(jī)械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強(qiáng)。于是，大大降低了機(jī)械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認(rèn)為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達(dá)到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發(fā)現(xiàn)：?80 及其以下的管線，經(jīng)常出現(xiàn)高于 80m/s 的高流速，其中有近一半的出現(xiàn)超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達(dá) 180m/s。一般的數(shù)顯壓縮空氣流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現(xiàn)象，出現(xiàn)難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現(xiàn)象使流量偏小 44.3%。針對這一現(xiàn)象，采用頻譜分析＋動態(tài)濾波，改善信號波動，消除“漏波”現(xiàn)象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側(cè)重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成分的大小，比時域圖像提供更具體更豐富的頻域圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應(yīng)用中，通常是設(shè)計濾波電路對電路進(jìn)行濾波。在測試測量中，往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素，通過對數(shù)顯壓縮空氣流量計傳感器原始信號直接進(jìn)行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結(jié)束語
由于數(shù)顯壓縮空氣流量計容易與數(shù)字電子設(shè)備配套使用，所是一種比較先進(jìn)、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，當(dāng)小流量、低流速或大流量、高流速的時候，對數(shù)顯壓縮空氣流量計提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應(yīng)的探討。為了使數(shù)顯壓縮空氣流量計盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低機(jī)械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產(chǎn)生漏波現(xiàn)象的問題，采用頻譜分析和動態(tài)濾波的方法，盡量減少漏波現(xiàn)象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。