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渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)性能的試驗(yàn)研究

點(diǎn)擊次數(shù):2608 發(fā)布時(shí)間:2021-03-19 08:17:51
摘要:為研究渦街流量計(jì)在管道周期振動(dòng)情況下的抗振性能,對(duì)國內(nèi)廣泛應(yīng)用的應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì),在氣體流量管道周期振動(dòng)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度和方向的試驗(yàn)。通過對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生儀表系數(shù)相對(duì)誤差的研究,得出模擬渦街流量計(jì)的抗振加速度,并分析了此時(shí)渦街流量傳感器輸出信號(hào)的品質(zhì)特征。*后,為與模擬渦街作比較,對(duì)凱銘生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗(yàn),研究了數(shù)字渦街的抗振性能,并發(fā)現(xiàn)振動(dòng)倍頻信號(hào)是導(dǎo)致儀表系數(shù)相對(duì)誤差出現(xiàn)的主要原因。
1、引言
渦街流量計(jì)具有無可動(dòng)部件、對(duì)流體物性變化不敏感、適用于多種介質(zhì)、壓力損失小、輸出與流體流速成正比的脈沖信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于計(jì)量和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中。但是,渦街流量計(jì)本質(zhì)上是流體振動(dòng)型流量計(jì),它對(duì)機(jī)械振動(dòng)、流體的流動(dòng)狀態(tài)特別敏感,不僅可以感受傳感器受到的渦街力,還可以感受到傳感器受到的其他力,如管道周期振動(dòng)、流體脈動(dòng)以及流體的沖擊力等,這些干擾勢(shì)必會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)的正常計(jì)量產(chǎn)生很大影響。在流體脈動(dòng)方面研究較多,國外Hebrard等和Peters等研究了脈動(dòng)的流體對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的影響;國內(nèi)蒙建波等和徐科軍等借助仿真手段研究了周期性脈動(dòng)流條件下渦街流量傳感器輸出信號(hào)的頻率測(cè)量方法。Miau等還專門研究了沖擊振動(dòng)情況下對(duì)壓電式渦街流量計(jì)輸出的影響。而關(guān)于管道周期振動(dòng)方面,文獻(xiàn)很少,僅荷蘭T**-TPD流量中心對(duì)商用渦街流量計(jì)通過電流輸出誤差分析研究管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響??墒枪艿乐芷谡駝?dòng)現(xiàn)象普遍存在于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵等動(dòng)力設(shè)備引起的管道振動(dòng)),而目前尚無有關(guān)渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
本文擬定渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3%作為渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)國內(nèi)廣泛使用的應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度的試驗(yàn),研究其抗振性能,并分析了渦街信號(hào)品質(zhì)特性,*后對(duì)凱銘公司的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗(yàn),分析其抗振性能。
2、試驗(yàn)裝置
氣體流量管道周期振動(dòng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。為避免氣體壓力波動(dòng),圖中設(shè)備1先將空氣壓縮打人2中,經(jīng)3冷卻除濕后,得到的純凈氣體先后流經(jīng)4、5、7、10后,通向大氣。流量校準(zhǔn)采用渦輪標(biāo)準(zhǔn)表法,渦輪流量計(jì)內(nèi)徑50mm,流量范圍5~100m3/h,精度為1%。兩臺(tái)壓力變送器的精度均為2‰。
管道周期振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備由11、12組成,實(shí)物如圖2。11為激振設(shè)備,由振動(dòng)臺(tái)體和控制器組成,具有調(diào)頻(1~400Hz)、定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能,從而使不同加速度和頻率下的周期振動(dòng)試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。12為測(cè)振設(shè)備,采用壓電式加速度傳感器準(zhǔn)確測(cè)量渦街流量計(jì)所在處管道振動(dòng)狀態(tài)。由于振動(dòng)臺(tái)為單自由度,僅能產(chǎn)生垂直方向即圖1中Y方向管道振動(dòng),為了實(shí)現(xiàn)水平方向管道振動(dòng),將渦街流量計(jì)旋轉(zhuǎn)90°安裝如圖2(b),此時(shí),振動(dòng)臺(tái)工作方向相對(duì)于渦街流量計(jì)即實(shí)現(xiàn)了圖1所示的x方向。為避免管道振動(dòng)對(duì)渦輪標(biāo)準(zhǔn)表產(chǎn)生影響,在渦街流量計(jì)上游2.5m處加裝軟管以消除機(jī)械振動(dòng)。
3、模擬渦街流量計(jì)管道振動(dòng)試驗(yàn)
3.1管道振動(dòng)頻率的選擇管道的機(jī)械振動(dòng)大多數(shù)是由空壓機(jī)、離心泵所激勵(lì)的,這些設(shè)備本質(zhì)都是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),激振頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率密切相關(guān)?,F(xiàn)有電機(jī)的轉(zhuǎn)速大部分小于3000r/min,對(duì)應(yīng)的*大轉(zhuǎn)速頻率為50Hz。試驗(yàn)中選擇40Hz來模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道振動(dòng)頻率。
3.2抗振性能標(biāo)準(zhǔn)的擬定
渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是渦街流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)量的一個(gè)重要參數(shù),其線性度好壞直接影響著渦街流量計(jì)測(cè)量的精度。鑒于目前渦街流量計(jì)的抗振標(biāo)準(zhǔn)尚未出現(xiàn),且試驗(yàn)中使用的氣體渦街流量計(jì)精度為1.5級(jí),本文擬定儀表系數(shù)相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3%作為渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。
3.3管道周期振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析
以應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)為被測(cè)對(duì)象,在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下,分別進(jìn)行了無振動(dòng)和施加管道周期振動(dòng)的實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)。管道振動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较蚝退椒较?,加速度?.05-0.5g。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出不同管道振動(dòng)加速度下渦街儀表系數(shù)相對(duì)于無管道振動(dòng)時(shí)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差曲線,垂直方向結(jié)果如圖3(a)所示。
由圖3(a)可知,一方面,在相同的振動(dòng)加速度下不同流速對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量影響的程度是不同的。低流速時(shí)受管道振動(dòng)影響更加嚴(yán)重,渦街流量計(jì)輸出脈沖頻率即為管道振動(dòng)頻率,如振動(dòng)加速度較大時(shí),5m/s處相對(duì)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(dòng)影響根據(jù)振動(dòng)加速度的不同可分為以下三種情況:
(1)管道振動(dòng)加速度為0.05g、0.1g時(shí),儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速的升高而減小,*終減小至零;
(2)管道振動(dòng)加速度為0.2g時(shí),儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速升高先增大后減小,*終減小至零;
(3)管道振動(dòng)加速度為0.5g時(shí),儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速升高先增大后減小,但*終未減至零。
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(duì)交替作用在其上的升力的檢測(cè)獲得渦街頻率的,而升力與被測(cè)流體的密度和流速平方成正比。低流速時(shí)升力幅值小,易受到管道振動(dòng)的干擾,當(dāng)振動(dòng)加速度較大時(shí),振動(dòng)信號(hào)的幅值超過了渦街升力的幅值,有用信號(hào)完全被淹沒。只能檢測(cè)到管道振動(dòng)信號(hào),故儀表系數(shù)相對(duì)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增長,而管道振動(dòng)加速度不變即振動(dòng)幅值不變,故壓電探頭檢測(cè)到的混合信號(hào)中渦街有用信號(hào)逐漸顯露出來。當(dāng)管道振動(dòng)加速度為*(1)種情況時(shí),渦街信號(hào)幅值隨流速升高而迅速增強(qiáng),*終能夠抑制振動(dòng)信號(hào)使誤差減小至零。當(dāng)管道振動(dòng)加速度為(2)(3)情況時(shí),在低流速下,檢測(cè)到的信號(hào)完全是振動(dòng)信號(hào),以此固定的管道振動(dòng)頻率作為渦街輸出頻率,得出的儀表系數(shù)自然隨流速升高而減小,導(dǎo)致相對(duì)誤差增大;隨著流速的升高,渦街信號(hào)幅度增大,信噪比提高,相對(duì)誤差隨之減小,而振動(dòng)加速度為0.5g時(shí)振動(dòng)相對(duì)較強(qiáng),渦街信號(hào)幅值隨流速升高雖有大幅提升,但仍無法完全抑制振動(dòng)信號(hào),儀表系數(shù)相對(duì)誤差有所減小,但未減至零。
另一方面,除*低流速點(diǎn)外,相同流速下儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨振動(dòng)加速度的增加而增大,這是由于振動(dòng)加速度的增加導(dǎo)致管道振動(dòng)干擾的幅度變大,對(duì)渦街流量計(jì)脈沖輸出造成更加惡劣的影響。
為了對(duì)比不同方向管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響,將管道振動(dòng)改為水平方向重新進(jìn)行試驗(yàn),得到圖3(b)曲線。通過與圖3(a)比較,發(fā)現(xiàn)兩種情況下流速及振動(dòng)加速度對(duì)儀表系數(shù)相對(duì)誤差的影響趨勢(shì)類似。依據(jù)先前擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力式模擬
渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的性能較差,垂直方向抗振加速度為0.05g,水平方向抗振加速度小于0.05g。
3.4渦街信號(hào)品質(zhì)分析
為了觀測(cè)管道周期振動(dòng)下渦街流量信號(hào)的特征,利用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡對(duì)渦街正弦信號(hào)進(jìn)行采樣。以垂直方向管道振動(dòng)加速度為0.1g為例,給出了不同流速下渦街信號(hào)的時(shí)頻域圖,如圖4所示。由時(shí)域部分可知,管道振動(dòng)下渦街流量傳感器輸出的信號(hào)為真實(shí)旋渦脫落信號(hào)和管道振動(dòng)信號(hào)的合成信號(hào)。低流速(≤1lm/s)時(shí),管道振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)、占主要成分,渦街信號(hào)疊加在其上;隨著流速變大(11~20.5m/s),渦街信號(hào)逐漸顯露出來成為主要成分、淹沒振動(dòng)信號(hào)。由頻域可知,振動(dòng)信號(hào)成分較單一,呈尖峰狀,幅值為定值,不隨流速變化而變,除40Hz基頻外還有2、3倍頻出現(xiàn);而渦街信號(hào)成分稍復(fù)雜,呈塔峰狀,幅值隨流速變大而迅速增強(qiáng),頻譜能量占總能量比重也隨流速增加而變大。
為了定量地分析管道振動(dòng)下渦街信號(hào)的質(zhì)量,引用參數(shù)Sq:
Sq=10In(Ps/Pn)(1)
式中:Ps為渦街頻率帶0.96f~1.04f范圍內(nèi)的信號(hào)能量;PN為總能量減去Ps后的能量;f為頻譜分析得到的渦街頻率值。Sq為正或負(fù),說明渦街頻率帶的能量大于或小于其它頻帶的能量。
圖5給出了不同管道振動(dòng)加速度下渦街信號(hào)品質(zhì)隨流速變化的情況。不論振動(dòng)加速度如何變換,Sq的變化趨勢(shì)都是隨著流速的增加而變大,但Sq何時(shí)由負(fù)變正,則與振動(dòng)加速度密切相關(guān)。相同流速下,管道振動(dòng)加速度越大,Sq值越小,渦街信號(hào)品質(zhì)越差。Sq小于零時(shí),表明由振動(dòng)引起的其他頻帶能量大于渦街頻帶能量,且Sq絕對(duì)值越大,渦街信號(hào)品質(zhì)越差,渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差越大;Sq大于零時(shí),表明渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量,管道振動(dòng)對(duì)渦街信號(hào)影響較小,且Sq值越大,渦街信號(hào)品質(zhì)越好,渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差越小。這也與圖3(a)得到的試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。
4、數(shù)字渦街流量計(jì)管道振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果
為了與應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)抗振性能進(jìn)行對(duì)比,本文還選用了凱銘公司生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行相同條件下的管道周期振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果整理如圖6、7。
由圖可知,凱銘數(shù)字渦街能將真實(shí)渦街信號(hào)辨識(shí)出來,但當(dāng)管道振動(dòng)加速度增大時(shí),儀表系數(shù)相對(duì)誤差明顯增大,也出現(xiàn)了同應(yīng)力式模擬渦街相類似的先增大后減小的情況,而且水平方向相對(duì)誤差大于垂直方向。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知,采用了SSP技術(shù)的凱銘數(shù)字渦街已將管道振動(dòng)信號(hào)基頻40Hz濾除,而較大的相對(duì)誤差是由于管道振動(dòng)的倍頻信號(hào)所引起的。同樣,ABB數(shù)字渦街也出現(xiàn)了同凱銘渦街相類似的試驗(yàn)結(jié)果,且由振動(dòng)倍頻信號(hào)導(dǎo)致的相對(duì)誤差更大。出現(xiàn)倍頻信號(hào)的原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面:*一,施振裝置本身產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)并不是純凈的,其中夾雜著設(shè)定頻率振動(dòng)信號(hào)的倍頻信號(hào);*二,管道的安裝、連接過程中,螺絲的松動(dòng)、不平衡、不對(duì)中等都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),按照前文擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn),凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)均為0.1g,ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向?yàn)?.05g。
5、結(jié)論
(1)在相同的管道振動(dòng)加速度下,不同流速對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量影響的程度不同,相同流速下儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨管道振動(dòng)加速度的增加而增大。
(2)應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的性能較差,垂直方向抗振加速度為0.05g,水平方向抗振加速度小于0.05g。
(3)凱銘和ABB數(shù)字渦街流量計(jì)均能濾除管道振動(dòng)基頻信號(hào),但對(duì)管道振動(dòng)倍頻信號(hào)無后續(xù)處理。導(dǎo)致管道振動(dòng)加速度增加時(shí)儀表系數(shù)相對(duì)誤差變大。凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)加速度均為0.1g,ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向?yàn)?.05g。

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