摘要:爲了(le)提高渦街流(liu)量計 的抗幹(gan)擾性和穩定(dìng)性并保證測(cè)量精度,提出(chu)了一種基于(yu)管壁差壓的(de)旋渦頻率檢(jiǎn)測新方法.在(zài)水和空氣不(bú)同管内流動(dòng)介質的情況(kuàng)下進行了系(xì)統實驗.應用(yòng)旋渦動力學(xué)和流體阻抗(kang)法,分析了取(qu)壓位置和引(yǐn)壓管頻率特(te)性因素對該(gai)方法測量性(xing)能的影響.結(jie)果表明,在旋(xuán)渦發生體下(xia)遊的一定距(ju)離内,取壓位(wei)置對該方法(fa)的斯特勞哈(hā)爾數和儀表(biǎo)系數的影響(xiang)很小，較靠近(jìn)旋渦發生體(ti)迎流面的地(dì)方可測流量(liàng)下限低.引壓(yā)管的長度應(ying)盡量短,并且(qie)保證其固有(you)頻率與渦街(jie)頻率相差較(jiao)大該方法簡(jian)便可靠,适應(yīng)性強,測量下(xia)限低.
　　旋渦頻(pin)率的檢測是(shì)渦街流量計(jì)的關鍵,壓電(dian)晶體法是目(mù)前最爲常用(yong)的檢測方法(fa).但是壓電晶(jīng)體檢測法存(cun)在兩個嚴重(zhong)的問題:1)壓電(dian)晶體對管道(dào)的振動較敏(min)感.2)壓電晶體(ti)長期使用的(de)穩定性差.爲(wei)了解決上述(shu)問題,研究人(ren)員從傳感器(qì)的結構形式(shi)和流量信号(hao)的分析處理(lǐ)等方面進行(hang)了廣泛深人(rén)的研究,取得(dé)了大量的成(cheng)果,但是都難(nan)以從根本上(shang)予以解決.
　　 根(gen)據流體力學(xué)基本原理,在(zài)對渦街流量(liang)計流場數值(zhí)仿真的基礎(chǔ)上提出了渦(wō)街流量計旋(xuán)渦頻率檢測(cè)的管壁差壓(ya)法,并對在不(bu)同管徑方向(xiang)的取壓位置(zhì)也作了研究(jiu).結果表明,該(gāi)方法簡便可(kě)靠,不幹擾管(guan)道内的流動(dòng),抗幹擾性強(qiang),從而形成一(yi)種新型.的渦(wo)街流量計,即(ji)管壁差壓式(shi)渦街流量計(ji)本文在已有(you)的研究基礎(chǔ)上,應用旋渦(wō)動力學和流(liu)體阻抗法的(de)有關原理,從(cong)取壓位置和(hé)差壓檢測系(xi)統兩個方面(mian)人手,分析了(le)各種因素對(dui)管璧差壓式(shi)渦街流量計(ji)測量的影響(xiǎng),提出了相應(yīng)的解決方案(an),爲優化測量(liàng)提供了指導(dao).
1測量原理與(yu)特點
　　 在渦街(jiē)流量計中,有(you)旋渦産生的(de)地方必有壓(ya)力的變化,交(jiāo)替産生的旋(xuan)渦必然會導(dǎo)緻附近流場(chǎng)的壓力出現(xian)規則的變化(huà),其變化的頻(pin)率與旋渦的(de)頻率一一對(dui)應,因此可以(yǐ)通過檢測發(fa)生體尾流中(zhong)某确定的兩(liang)點間的波動(dong)差壓來測量(liang)旋渦頻率,從(cóng)而實現流量(liang)的測量.由于(yú)發生體兩側(ce)對稱點上的(de)相位差爲180°,且(qiě)振動幅度和(he)頻率相等,因(yin)此将差壓取(qu)壓位置選取(qǔ)在管壁上的(de)對稱點更利(lì)于檢測,如圖(tu)1所示,其中圖(tu)1(a)、(b)分别爲沿着(zhe)管道軸向和(hé)徑向的截面(mian)圖.
　　 數值仿真(zhēn)結果都表明(ming),與目前常用(yong)旋渦頻率檢(jian)測方法相比(bǐ),管壁差壓法(fǎ)具有以下明(ming)顯優勢:1)引壓(ya)系統對管内(nèi)待測介質流(liu)動幾乎沒有(you)影響;2)傳感器(qì)系統獨立于(yú)旋渦發生體(tǐ),并且位于管(guan)道外面，維修(xiu)和更換時不(bu)需要切斷管(guǎn)流拆卸旋渦(wo)發生體,可以(yǐ)實現傳感器(qi)在線維修和(he)更換;3)與壓電(diàn)晶體法相比(bǐ)，具有較強的(de)抗幹擾性;4)可(ke)測流量下限(xiàn)低.
 
2過程與裝(zhuāng)置
　　 在管内流(liú)動介質分别(bie)爲水和空氣(qi)的情況下均(jun)進行了實驗(yàn),整個測試由(you)動力設備、穩(wěn)壓設備、标準(zhun)流量表、前直(zhi)管段、實驗段(duàn)和後直管段(duan)6部分組成.管(guǎn)道的内直徑(jing)D=50mm,旋渦發生體(tǐ)的橫截面爲(wei)梯形,迎流面(mian)寬度d=14mm,管壁差(cha)壓的取壓孔(kǒng)選擇在發生(shēng)體後的三對(dui)不同位置1、2、3,它(tā)們分别位于(yu)距發生體迎(ying)流面0.2D、0.5D、D的下遊(yóu)，其中D爲管道(dao)内直徑,如圖(tú)2所示.
　　 空氣和(he)水的标準流(liu)量表分别爲(wei)鍾罩标準流(liu)量裝置和電(dian)磁流量計,它(ta)們的精度均(jun1)爲0.5級.測得的(de)管壁差壓經(jīng)過放大,由數(shù)字示波器記(jì)錄保存,再導(dǎo)人計算機進(jìn)行處理分析(xī).
 
3取壓位置的(de)影響
3.1渦街流(liu)計内的旋渦(wō)特性
　　 由于管(guan)壁的約束,渦(wō)街流量計中(zhōng)旋渦的産生(shēng)和脫落特性(xìng)并不和自由(you)流場中的情(qíng)況完全相同(tóng).渦街流量計(jì)中旋渦發生(shēng)體下遊的旋(xuán)渦區可以分(fen)爲3個區段，即(jí)密集發展段(duan)、穩定段和旋(xuán)渦消散段.在(zai)密集發展段(duan),旋渦旋度2(即(ji)渦量)沿流動(dòng)方向x的變化(huà)規律爲.
 
　　式中(zhong):v爲管内平均(jun1)流速,D爲管道(dao)内直徑,d爲旋(xuán)渦發生體迎(yíng)流面寬度,xs爲(wèi)密集發展段(duàn)的長度.
　　 在穩(wen)定段,旋渦旋(xuan)度爲
 
　　式中:xk爲(wèi)密集發展段(duan)和穩定段的(de)總長度.
　　由于(yu)d、D、x,和xk均爲常數(shù),根據式(1),(2)可見(jian),不論是在密(mì)集發展段還(hai)是在穩定段(duan),旋渦旋度Ω都(dou)是正比于流(liú)速v,且随x的增(zēng)大而減小.
　　在(zài)旋渦消散段(duàn),由于流層之(zhī)間的相互作(zuò)用能量逐漸(jian)消耗,旋渦逐(zhu)漸消失.
3.2不同(tong)取壓位置的(de)實驗結果與(yǔ)比較
3.2.1斯特勞(láo)哈爾數和儀(yi)表系數渦街(jiē)流量計
　　用于(yú)測量的前提(ti)條件是在--定(ding)的雷諾數Re範(fàn)圍内儀.表系(xì)數K保持爲常(cháng)數,對于渦街(jie)流量計,由于(yu)K與斯特勞哈(hā)爾數St存在如(ru)下關系:
 
　　因此(cǐ)要求在一定(ding)的雷諾數Re範(fan)圍内St保持不(bu)變.不同流動(dòng)介質、不同取(qǔ)壓位置的St與(yu)Re的對應關系(xi)如圖3(a)、(b)所示.各(gè)種情況的St基(ji)本上保持爲(wèi)常數,且它們(men)的值均相等(deng),約爲0.253.各種情(qing)況的儀表系(xì)數列于表1,它(ta)們之間的最(zui)大相對誤差(cha)小于1%,這表明(ming)在旋渦發生(shēng)體後一定的(de)距離内，流動(dong)介質和取壓(ya)位置對管壁(bì)差壓式渦街(jiē)流量計的測(ce)量影響很小(xiǎo).
 
3.2.2最小可測流(liú)速
　　渦街流量(liàng)計測量下限(xiàn)的拓展一直(zhí)是研究的熱(rè)點.各種情況(kuàng)的最小可測(cè)流速及常規(guī)渦街流量計(jì)的測量下限(xian)列于表2.在實(shí)驗中,越靠近(jin)發生體,旋渦(wo)的旋度強，測(cè)量的靈敏度(du)高，不論是水(shui)還是空氣,最(zuì)小可測流量(liang)都是随取壓(ya)位置的後移(yí)而增大.當測(cè)量水時,位置(zhi)1的測量下限(xiàn)僅爲常規表(biǎo)的52%;當測量空(kong)氣時,位置1的(de)測量下限爲(wèi)常規表的75%,因(yīn)此采用管壁(bì)差壓法能有(yǒu)效地降低渦(wo)街流量計的(de)測量下限,将(jiāng)取壓位置适(shi)當靠近發生(shēng)體能進一步(bù)降低測量下(xia)限.
 
引壓管的(de)影響
4.1引壓管(guan)動态特性的(de)數學模型
　　根(gēn)據流體阻抗(kang)法的集中參(can)數模型,若差(chà)壓傳感器兩(liǎng)根引壓管的(de)平均長度爲(wei)Ɩ0,平均導納爲(wèi)YƖ0,輸入的管壁(bi)正弦脈動壓(yā)力差△pi=pil-pi2,則傳至(zhì)差壓傳感器(qì)的差壓爲
 
　　式(shi)中:F=√ZY爲引壓管(guǎn)單位長度的(de)傳播常數;Z和(he)Y分别爲單位(wèi)長度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導納;Zc=√Z/Y爲管路(lù)的特性阻抗(kang);δ爲差壓測量(liang)的絕對誤差(chà);K。爲壓力脈動(dong)影響系數.
　　在(zai)兩段引壓管(guan)長度較短且(qie)相差不大,差(chà)壓傳感器壓(ya)力腔室很小(xiǎo)的條件下,當(dang)輸人差壓脈(mò)動頻率ƒ低于(yú)引壓管的基(jī)本頻率ƒ。的1/2時(shí)，Kp<0.03,δ值較小;當ƒ>0.5ƒ。時(shí),Kp随ƒ的增.加而(er)顯著上升,δ值(zhí)較大.
4.2管壁差(chà)壓平均幅值(zhi)的測最偏差(chà)與讨論
管壁(bi)差壓平均幅(fú)值`Pmax定義爲
 
　　式(shì)中:Pmax.pmin,;分别爲第(di)i個旋渦周期(qī)内管壁差壓(yā)的最大值和(hé)最小值;N爲檢(jiǎn)測的總周期(qi)數. `Pmx值反映了(le)旋渦強度的(de)大小,應随流(liu)量的增加而(ér)增大.實驗`Pmx與(yu)qv的關系如圖(tu)4所示,當圖4(a)中(zhōng)給出的是流(liú)動介質爲水(shuǐ)時,從3對不同(tong)取壓位置測(cè)量的`Pmx随qv的分(fen)布情況,可見(jian)3條曲線均随(sui)qv的增加而單(dan)調遞增,較好(hao)地符合了理(lǐ)論預測;圖4(b)中(zhong)所示的是流(liu)動介質爲空(kōng)氣時的情況(kuàng),3條曲線的形(xíng)狀相似,當qv<83m3/h,`Pmx随(suí)流量的增加(jiā)而增大,在qv=83m3/h附(fu)近取得極大(dà)值,當qv>83m3/h,`Pmx不再随(sui)流量的增加(jia)而增大,而是(shi)急劇下降直(zhi)至qv>120m3/h後逐漸平(ping)緩遞增.
　　當流(liú)量qv=83m3/h時，旋渦頻(pin)率ƒ=213Hz,K=2.5680Hz·h/m;引壓管的(de)長度Ɩ=0.20m,其固有(yǒu)頻率ƒ0=c/(4Ɩ)=425Hz,c爲引壓(yā)管中介質的(de)聲速，則ƒ=0.5ƒ0..當qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,Kp随(suí)ƒ的增加而顯(xiǎn)著上升,差壓(yā)測量的絕對(dui)誤差δ值增大(da).因此較低的(de)引壓管固有(you)頻率阻礙了(le)測壓系統對(duì)動态管壁差(cha)壓的響應,從(cong)而造成較大(dà)的測量誤差(chà),與理論關系(xì)不符.爲了克(ke)服或減小引(yin)壓管對測量(liang)的影響,應盡(jìn)量縮短引壓(ya)管的長.度.但(dàn)是管壁差壓(yā)幅值的誤差(cha)并沒有影響(xiǎng)頻率的測量(liàng),對St和K的影響(xiǎng)甚小,也即流(liu)量的測量幾(ji)乎不會受影(yǐng)響,說明管壁(bi)差壓法的強(qiáng)适應性和穩(wěn)定性.
 
5結論
(1)在(zai)發生體下遊(you)的一定距離(lí)内,取壓位置(zhì)對管壁差壓(ya)式渦街流量(liàng)計的斯特勞(lao)哈爾數和儀(yí)表系數的影(ying)響很小;
(2)管壁(bi)差壓式渦街(jiē)流量計的測(ce)量下限随取(qǔ)壓位置的不(bú)同而顯著變(bian)化，在旋渦發(fā)生體後的一(yi)定範圍内,較(jiao)靠近發生體(ti)迎流面的地(dì)方測得的最(zui)小流速低于(yú)遠離迎流面(miàn)的地方;
(3)引壓(ya)管的響應頻(pin)率對管壁差(cha)壓式渦街流(liu)量計的測量(liàng)有着重要的(de)影響,爲了保(bǎo)證準确測量(liàng),應盡量縮短(duǎn)引壓管的長(zhǎng)度,并且保證(zhèng)引壓管固有(you)頻率與渦街(jie)頻率相差較(jiao)大.
　　由于工業(yè)現場的流動(dong)狀态複雜,因(yīn)此進一步工(gōng)作将圍繞着(zhe)該方法在旋(xuan)轉流、脈動流(liú)等惡劣工況(kuàng)下的性能展(zhan)開.

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