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流体脉动干扰对旋进漩涡流量计测量效应的影响

    流体脉动干扰对旋进漩涡流量计测量效应的影响旋进旋涡流量计是一种新型的流体振动流量计。其主要特点是无活动部件,对测量介质的适应性广,线性测量范围宽,可应用于气体、液体和蒸汽的计量。旋进旋涡的强度较弱,当待测系统附近有振动、噪声源、或流体内部波动、或管壁振动时,其计量准确度会受到明显的影响。对被测流体及环境条件的苛刻要求,极大地限制了它的工业应用。对此1991年Heinrichs K采用差分传感器做了扩展旋进旋涡流量计量程下限的实验研究[1];1999年Cascetta等人对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特征试验研究[2];2000年傅新等人用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究,并提出用信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗干扰能力的设计[3]。但上述工作均未对被测流场内部波动如何影响该类流量计进行研究。
    在实际生产中,由于旋转式、往复式或各种可运动传送设备的使用,使得在工业管道中大量存在脉动流。然而,许多行业设计部门对被测对象是否存在脉动流工况、脉动流严重程度,以及在这种条件下应如何进行流量计量系统的选型、设计、安装等问题似乎也没有深入考虑,而只是简单地按照流量计的应用标准,在流量仪表前后安装一定长度的直管段,直接进行流量测量,这样必然产生很大误差。近年来,随着市场经济的发展,人们常常需要根据流量计量结果对企业的运行效益进行估计,或者作为供需双方结算的依据,因而对流量计量的准确度的要求越来越高。对于在脉动流条件下如何提高计量准确度,也越来越受到重视。故研究流场内部波动如何影响旋进旋涡效应对流量计有理论和工程的重要意义。
    文中通过脉动流场物理模拟,研究了流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响。确定了流场干扰与旋进旋涡流量计流场进动效应的线性叠加关系以及流场扰动的能量耗散作用所导致的流场进动效应衰减,并提出削弱流场波动对该类流量计影响的方法。
    2 旋进旋涡流量计的原理[4~6]
    旋进旋涡流量计是近年才发展起来的一种新型流体振动流量计,其原理图如图1所示。
    固定旋涡发生叶片使进入流量计的流体产生一个附加切向速度到轴向运动的流体,这样就产生了连续的旋涡系列而构成一个旋涡流,称之为“涡势”,其中心为旋涡核(旋涡中心流),外围为环流,如图1所示。流体流经收缩段时涡流加速,此时,涡核直径沿流动方向逐渐缩小,而旋涡强度逐渐加强,到达扩张段时,由于旋涡急剧减速,压力上升,旋涡中心区的压力比周围低,于是就产生了回流。在回流的作用下,旋涡流偏离原前进方向,迫使像刚体一样旋转的涡核在扩张段作类似陀螺的运动,旋涡流的进动是贴近扩张段的壁面进行的。该旋进旋涡频率与流体的流速成正比,因此,测得旋进旋涡频率即能反映流速和体积流量的大小。
    3 实验装置
    3.1 实验测试系统
    实验装置由5个部分组成,如图2所示。
    实验台通过真空泵产生负压,使实验台的入口和出口之间产生一个压差,这样就形成一个小型风洞。计算机测试系统主要由电荷放大器和用于采样计算的美国DACTRON公司Photo便携式动态信号分析仪组成,用于检测传感器的输出。
    3.2 实验条件
    传感器采用上海测试技术研究院生产的直径为7mm的压电式压力传感器,其固有频率响应可达几十kHz。用作流量标准的临界流文丘里喷嘴流量计节流时间>15s。
    实验的流量范围可从5.5~220.5m3/h,雷诺数Re=2595~1.0404×105间断分布。实验台的标准流量测定装置由5个标准的不同临界流文丘里喷嘴流量计组成,通过不同的组合方式可得到不同的流量。实验的管道内径为50mm。为得到充分发展的湍流,实验段的入口管道长度为800mm(>10倍管道直径d),在无周期扰动并无旋进旋涡效应状态下的流动状态是充分发展的湍流。
    3.3 流场干扰模拟装置
    流场干扰模拟装置原理如图3所示。
    其原理是通过调速直流电机带动高速旋转节流圆盘对流体进行节流。每节流一次产生一个脉动。该装置的电机转速最高为3000rpm,电机旋转一次节流10次,故该装置的扰动频率可达500Hz。流体扰动的频率是通过改变直流电机的转速来调节,直流电机的转速调节控制系统是电压反馈的闭环系统,这样使电机在0~3000rpm之间可以无级调速,并稳定地运行。
    4 实验结果及讨论
    为寻找流体脉动与仪表响应的相关性,分别对脉动流管道传输和均匀流及脉动流情况下旋进旋涡流量计测量进行了试验。
    4.1 脉动流管道传播实验
    图4为脉动流管道传播实验示意图。在对称于轴线位置上安装两个传感器,以测定对称于轴线两侧的流体脉动流特性。为测定不同流量、不同扰动的脉动压力特征,分别在扰动频率为68、182、295Hz,体积流量与雷诺数组合分别为:Q=36.7m3/h、Re=17316;Q=148.4m3/h、Re=70018;Q=215m3/h、Re=101440的条件下进行了实验。实验结果如图5所示,图中Q是体积流量,fd是流场干扰模拟装置扰动频率。通过实验可以得出以下结论:
    ① 在相同扰动频率下,不同流量流体脉动压力是不相同的,时域波形有明显区别,而频域的频率成分是相近的,对应分量的幅值随流量增加而增大。
    ② 管道流的脉动压力频率和外界扰动的频率是不一样的,前者高于后者。这是由于流体压力的扰动和管道耦合作用所产生流体波动的频率高于压力扰动的频率的缘故。
    ③ 外界扰动所导致流体波动在对称于管道轴线两侧引起的压力波动是非常相近的,可以通过对称两侧信号差分处理互相抵消。
    4.2 旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验
    图6为旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量示意图。无扰动流实验条件与脉动流管道传播实验条件相同。实验结果如图7所示。
    实验结果表明:在无扰动均匀流情况下,旋进旋涡压力波动在对称表体轴线两侧是有时间差的,其时间差就是一个进动周期。
    流体脉动对旋进旋涡流场的干扰与流量和扰动频率有关。当流量比较大时,流场内部的脉动对旋进旋涡流场的进动效应没有明显的影响。而对旋进旋涡效应的影响主要表现在小流量情况下。相同流量的情况下,干扰的频率越高,旋进旋涡的效应波形畸变越严重。
    4.3 实验分析
    上面的实验结果表明,脉动干扰对旋进旋涡效应的影响主要是在小流量情况下。为研究流体脉动干扰是否与旋进旋涡效应是线性关系,主要对Q=36.7m3/h的较小流量实验结果进行分析。
    从前面实验得知,流体的脉动在对称于轴线两侧的波动是相近的,当两侧的信号通过差分处理后可以相互抵消。由此,假如流体的脉动和旋进旋涡的效应是线性关系,经压力信号差分处理后,有脉动扰动与无脉动扰动的旋进旋涡流量计输出的频率成分相同,其表达式如下:
    FFT(Xfd1-Xfd2)≈ FFT(X1-X2)     (1)
    其中,Xfd1为干扰频率为fd上侧脉动压力时域信号;Xfd2为干扰频率为fd下侧脉动压力时域信号;X1为无扰动时上侧脉动压力时域信号;X2为无扰动时下侧脉动压力时域信号;FFT为快速傅里叶变换。
    图8是对小流量情况下不同干扰频率信号分析结果。分析结果表明,无论干扰频率及干扰的幅度大小如何,经对称轴线两侧脉动压力信号差分处理之后,其时域的波形和频域的成分都与无干扰的情况相近。有干扰脉动压力信号差分处理后频域上的主频与无干扰脉动压力信号差分处理的主频是相同的。故流体脉动干扰与旋进旋涡效应的脉动压力是线性叠加关系。
    但有干扰脉动压力信号经差分处理后频域上有明显50Hz干扰成分,而且50Hz干扰成分的强度随干扰频率的增加而增加,同时随干扰频率的增加旋进旋涡的强度也在衰减。对于这种现象可以从两个方面进行解释:一方面,随干扰频率的增加,流体耗散在传播过程中的能量就要增加,这样使诱发旋进旋涡效应的流体能量减少,导致了旋进旋涡流量计的流体进动效应的减弱;另一方面,流场脉动模拟装置的电机及调速器的电流随扰动频率的上升而变大(这是因为随节流次数的增加电机的负载也增大),这样将导致50Hz工频电磁干扰增强,故测量系统的信噪比降低。
    5 结论
    通过上述分析表明,流体脉动干扰对旋进旋涡效应的影响体现在两个方面:一是耗散进动的能量,使进动强度减弱;其二是旋进旋涡的效应与流体脉动干扰的脉动压力是线性叠加的关系,在有扰动的情况下检测到的旋进旋涡脉动压力信号为流体干扰波动和旋进旋涡效应线性叠加的结果。
    流体扰动的传播是纵波,可以通过对称轴线两侧的信号差分处理得以消除。但由于扰动的能量耗散作用,使旋进旋涡强度减弱。这使信号检测的难度增加,客观上是提高了量程下限,并使测量系统对外界电磁干扰敏感。为削弱外界电磁干扰的影响,可以通过加强系统电磁屏蔽措施或在电路加上50Hz带阻滤波器加以克服。
点击次数:  更新时间:2017-09-23 16:31:24  【打印此页】  【关闭