摘要:為研究管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響,以國(guó)內(nèi)普遍使用的應(yīng)力式渦街流量計(jì)為研究對(duì)象.在氣體流量管道振動(dòng)試驗(yàn)裝置上,流量范圍35m'/h~145m/h內(nèi),分別在不同管道振動(dòng)加速度(0.05g.0.Ig.0.2g.0.5g、1g)、頻率(40Hz、100Hz、200Hz)、垂直和水平方向上進(jìn)行了一系列管道振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)不同管道振動(dòng)情況下的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差分析發(fā)現(xiàn)，渦街儀表系數(shù)誤差隨管道振動(dòng)加速度的增加而變大,抗振性能較差;相同振動(dòng)加速度下,儀表系數(shù)誤差隨流量增大有減小趨勢(shì),小流量下對(duì)管道振動(dòng)尤為敏感;同一振動(dòng)加速度下,儀表系數(shù)誤差隨管道振動(dòng)頻率增大而減小;水平方向管道振動(dòng)較之垂直方向儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。
渦街流量計(jì)是一種基于流體振動(dòng)原理的流量計(jì)。目前已成為管道中液體、氣體、蒸汽的計(jì)量和工業(yè)過(guò)程控制中不可缺少的流量測(cè)量?jī)x表1-2:o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，如管道振動(dòng)、流體脈動(dòng)以及流體的沖擊力等3--4],這些干擾勢(shì)必會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。
本文以國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的應(yīng)力式渦街流量計(jì)為研究對(duì)象,在氣體流量管道振動(dòng)試驗(yàn)裝置上,相同流量范圍內(nèi)進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度的管道振動(dòng)試驗(yàn)。擬定渦街儀表系數(shù)誤差(除流量下限外)小于3%作為渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn),研究了應(yīng)力式渦街流量計(jì)在管道振動(dòng)條件下的抗振性能，并分析了不同管道振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向?qū)u街流量計(jì)測(cè)量的影響，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)力式渦街流量計(jì)具有普遍意義。
1試驗(yàn)裝置
圖1為氣體流量管道振動(dòng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。為避免氣體壓力波動(dòng),1先將大氣中的空氣壓縮打人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)采用標(biāo)準(zhǔn)表法,即由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)測(cè)得的流量、表前壓力以及被測(cè)渦街流量計(jì)的表前壓力,即可換算得到被測(cè)渦街流量計(jì)常壓下的體積流量(管路中氣體溫度變化很小忽略不計(jì))。研究對(duì)象10選用國(guó)內(nèi)普遍使用的應(yīng)力式渦街流量計(jì),內(nèi)徑為50mm,流量范圍36m3/h~320m3/h;標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)精度為1%,內(nèi)徑50mm,流量范圍5m3/h~100m3/h;壓力變送器精度均為2%0。
管道振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備由11、12組成,實(shí)物見(jiàn)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(1Hz~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正確測(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(圖1中Y方向)管道振動(dòng),為了實(shí)現(xiàn)水平方向(X方向)管道振動(dòng),將渦街流量計(jì)旋轉(zhuǎn)90°水平安裝[如圖2(b)],此時(shí),振動(dòng)臺(tái)再工作時(shí)其振動(dòng)方向相對(duì)于渦街流量計(jì)即實(shí)現(xiàn)了如圖1所示的X方向。當(dāng)管道振動(dòng)時(shí)為避免對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表產(chǎn)生影響,在渦街流量計(jì)上游2.5m(50D)處加裝軟管消除機(jī)械振動(dòng)。
整套試驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制處理,對(duì)氣.動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用PID調(diào)節(jié)確保流量穩(wěn)定,對(duì)渦街、渦輪流量計(jì)以及壓力變送器的輸出信號(hào)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)分析。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
在圖1試驗(yàn)裝置上,流量35m3/h~145m'/h(裝置所能達(dá)到的常壓下的最大流量)內(nèi),分別在未施加和施加振動(dòng)施加不同振動(dòng)加速度頻率、方向的情況下,對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了管道振動(dòng)試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果予以分析。
2.1未施加管道振動(dòng)的試驗(yàn)
在無(wú)管道振動(dòng)情況下,對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了5點(diǎn)實(shí)流試驗(yàn),數(shù)據(jù)如表1。每個(gè)流量點(diǎn)每次檢定時(shí)間為30s,重復(fù)性、平均儀表系數(shù)和線性度均按照速度式流量計(jì)檢定規(guī)程[12]中的公式計(jì)算。試驗(yàn)研究的應(yīng)力式渦街流量計(jì)精度為1級(jí)。
2.2不同管道振動(dòng)加速度的試驗(yàn)
為考察應(yīng)力式渦街流量計(jì)對(duì)管道振動(dòng)加速度的抗振性能,在垂直振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率為100Hz、振動(dòng)加速度0.05g~1g情況下，進(jìn)行了流量試驗(yàn)。將得到的5組試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出相應(yīng)的儀表系數(shù)隨流量變化曲線如圖3所示。可見(jiàn),當(dāng)施加管道振動(dòng)后,渦街流量計(jì)儀表系數(shù)隨流量及振動(dòng)加速度的不同變化很大。為了與無(wú)管道振動(dòng)時(shí)作比較,圖4給出了不同振動(dòng)加速度下的儀表系數(shù)相對(duì)于無(wú)管道振動(dòng)時(shí)平均儀表系數(shù)的誤差曲線。
由圖4可知,-方面，同一振動(dòng)加速度下不同流量點(diǎn)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量影響的程度不同。小流量時(shí)受管道振動(dòng)影響劇烈，輸出脈沖即為管道振動(dòng)頻率,如圖335m3/h處儀表系數(shù)集中在一點(diǎn)。隨著流量增加，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三種:(1)管道振動(dòng)加速度為0.05g、0.1g、0.2g時(shí),儀表系數(shù)誤差隨流量增加而減小直至為零;(2)管道振動(dòng)加速度為0.5g時(shí),儀表系數(shù)誤差隨流量增加先變大后減小但未減至零;(3)管道振動(dòng)加速度為1g時(shí),儀表系數(shù)誤差隨流量增加而變大最后趨于平穩(wěn)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于,應(yīng)力式渦街流量計(jì)是利用壓電探頭交替地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。小流量時(shí)升力幅值小，易受管道振動(dòng)干擾、有用信號(hào)被淹沒(méi),只能檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào),故儀表系數(shù)集中在一點(diǎn)。隨著流量增加，升力幅值成平方倍增長(zhǎng)，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(lái)。當(dāng)管道振動(dòng)加速度為第(1)種情況時(shí),渦街信號(hào)幅值隨流量增加而迅速增強(qiáng),最終抑制振動(dòng)信號(hào)使儀表系數(shù)誤差減小至零;當(dāng)管道振動(dòng)加速度為第(2)種情況時(shí),由于振動(dòng)信號(hào)幅值較強(qiáng),渦街信號(hào)隨流量增加雖然有大幅提升，但仍無(wú)法完全有效地抑制振動(dòng)信號(hào),儀表系數(shù)誤差有減小但不能.減至零;但當(dāng)管道振動(dòng)加速度為第(3)種情況時(shí),由于振動(dòng)干擾幅值遠(yuǎn)大于渦街信號(hào)幅值,所以儀表系數(shù)誤差很大,但是，渦街信號(hào)幅值隨流量增加成平方倍增長(zhǎng)仍會(huì)對(duì)管道振動(dòng)信號(hào)起到一定抑制作用，所以儀表系數(shù)誤差最后趨于平穩(wěn)。
另一方面,除流量下限外,相同流量下渦街流量計(jì)儀表系數(shù)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)致振動(dòng)干擾幅值變大，對(duì)渦街流量計(jì)信號(hào)輸出必然造成惡劣的影響。
按照前文擬定的管道抗振標(biāo)準(zhǔn),此應(yīng)力式渦街流量計(jì)在管道振動(dòng)頻率為100Hz時(shí),垂直方向抗振加速度僅為0.05g。
2.3不同管道振動(dòng)頻率的試驗(yàn)
為了研究管道振動(dòng)頻率變化對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響,將頻率分別調(diào)整為40Hz、200Hz后,重新進(jìn)行了2.2試驗(yàn),得到了圖5所示不同振動(dòng)加速度下儀表系數(shù)誤差變化曲線。
將圖4.5作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論管道振動(dòng)頻率如何變化,在同一振動(dòng)加速度下,儀表系數(shù)誤差隨流量變化的趨勢(shì)類似。但是,當(dāng)管道振動(dòng)頻率變化時(shí),相同振動(dòng)加速度下渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差會(huì)隨管道振動(dòng)頻率增大而減小。這是因?yàn)?一-方面渦街流量計(jì)信號(hào)處理電路中含有放大和低通濾波環(huán)節(jié),對(duì)40Hz振動(dòng)干擾無(wú)法濾除且有放大功能。另一方面,由于渦街流量計(jì)輸出脈沖與流速成正比、檢測(cè)旋渦的升力與流速平方和被測(cè)流體的密度成正比,所以在小流量時(shí),渦街流量傳感器信號(hào)頻率低且幅值小，受低頻的管道振動(dòng)干擾影響嚴(yán)重,輸出脈沖誤差大;隨著流量增加,渦街流量傳感器信號(hào)頻率變大且幅值增強(qiáng),受低頻的管道振動(dòng)干擾影響減弱,輸出脈沖也隨之誤差變小。
綜合圖4、5可知,對(duì)于應(yīng)力式渦街流量計(jì)來(lái)說(shuō),垂直方向上的抗振性能均較差。當(dāng)管道振動(dòng)頻率為40Hz、100Hz時(shí),抗管道振動(dòng)加速度為0.05g;當(dāng)管道振動(dòng)頻率為200Hz時(shí),抗管道振動(dòng)加速度為0.1g。
2.4不同管道振動(dòng)方向的試驗(yàn)
為了比較不同方向管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響,在水平方向管道振動(dòng)條件下,重新進(jìn)行試驗(yàn),得到了管道振動(dòng)頻率分別為40Hz、100Hz、200Hz,振動(dòng)加速度分別為0.05g.0.1g.0.2g0.5g、1g時(shí),渦街儀表系數(shù)誤差隨流量變化的曲線,如圖6所示。
通過(guò)水平方向管道振動(dòng)與垂直方向試驗(yàn)結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)兩種情況下,管道振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度對(duì)儀表系數(shù)誤差的影響趨勢(shì)類似;但是,水方向較之垂直方向儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。依據(jù)擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn),將此應(yīng)力式渦街流量計(jì)在不同振動(dòng)方向上，抗管道振動(dòng)性能小結(jié)如表2。
3結(jié)論
為研究管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響，利用氣體流量管道振動(dòng)試驗(yàn)裝置,在相同流量范圍內(nèi),分別在不同管道振動(dòng)加速度頻率方向上對(duì)應(yīng)力式渦街流量計(jì)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:
(1)渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差隨管道振動(dòng)加速度的增加而變大,整體抗振性能較差，以管道振動(dòng)頻率100Hz為例,垂直方向抗振加速度為0.05g,水平方向抗振加速度為0.2g。
(2)在相同管道振動(dòng)加速度條件下,無(wú)論振動(dòng)頻率如何變化,渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差隨流量增大有減小趨勢(shì),小流量下受管道振動(dòng)影響最大。
(3)在相同管道振動(dòng)加速度條件下,渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差隨管道振動(dòng)頻率的增大而減小。
(4)水平管道振動(dòng)方向較之垂直方向，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)誤差更小,抗振性能更好。
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