设为主页 收藏我们 繁体中文
客服热线: 0517-86881563
分类导航
江苏创辉自动化仪表有限公司
地址:江苏金湖环城西路8号
电话:0517-86881563
传真:0517-86807860
邮箱:jsrlyb@163.com
QQ:2509499123
涡街流量计传感器压电探头位置试验研究分析
发布日期:2017-10-17 8:06:11
涡街流量计传感器的研究主要集中在旋涡发生体形状设计、信号检测方式以及信号处理方法上,而对压电探头位置的研究未见报道。本文首先通过在水槽、风洞中试验,揭示了压电探头位置与涡街信号频率、幅值存在着密切联系,不同宽度的旋涡发生体,最强信号出现的位置也不同。在此基础上,研究管道中涡街流量传感器压电探头在不同位置时的信号变化规律,分析解释了二维、三维涡街流场的差异,最终确定了涡街流量传感器中压电探头的最佳位置应在距发生体尾部等于发生体宽度处。通过在dn100和dn50水、气流量标准装置上的试验,验证了此结论的正确性,传感器的线性度和重复性均有所改善。
 
涡街流量传感器近三十年才迅速发展,因此对它的研究仍在继续,在保证计量精度的基础上努力扩展测量下限以及提高抗干扰性。学者们从各个角度对其进行了深入研究:(1)旋涡发生体形状研究。要求流体经过旋涡发生体时可以产生稳定且强烈的旋涡,先后出现了梯形柱、t型柱等单旋涡发生体[1,2],还有不同形状组合的双钝体[3],钝体间距也成为研究的关键;(2)旋涡检测方式研究。要求保证检测灵敏度高、抗干扰性好。根据涡街形成和分离过程中出现的物理现象及规律,研究出热敏、超声、电容、应变、应力式等检测涡街信号的方法[4,5];(3)信号处理方法研究。通过软件上的处理来补偿硬件上检测出的非理想涡街信号。一些数字信号处理方法应运而生[6,7],如快速傅里叶变换、小波分析、自适应滤波等都有效地滤除了干扰信号,不仅可精确地检测出流量而且扩展了测量下限。可见,要想提高涡街流量传感器的测量品质,需要对各个环节分析研究,如果每一个环节都能达到最优,那么设计出的传感器就能达到全局最优。
因此,涡街流量传感器设计成为研究的另一个重点。工业现场常用的涡街传感器采用梯形柱旋涡发生体、压电应力式检测方法,其结构尺寸都有经验值,大部分涡街传感器中旋涡发生体与压电探头相互分离。从试验中发现,对这种分离型压电式涡街流量传感器,压电探头位置对涡街信号的检测有很大影响,如果将探头放置在旋涡较强的位置,涡街传感器的测量下限还会降低。所以,旋涡检测位置与检测出的信号质量密切相关。关于这方面的研究报道很少,因此本工作将重点放在压电探头位置的研究上,首先在流体力学实验室的水槽、风洞中验证试验方法的可行性,得到初步试验结论以及涡街流场特性。在此基础上,通过试验进一步研究管道中不同探头位置的信号特点,并结合流场数值仿真和理论分析对两种试验条件下的试验现象进行解释。最终确定管道中压电探头的最佳检测位置,并通过实际标定试验验证结论。
 二维涡街流动
首先选择在近似二维流场中进行试验,来验证压电探头位置与涡街信号质量存在密切关系。分别在水槽和风洞中进行了试验。
 
1 水槽试验
 
水槽为天津大学流体力学实验室开放式循环水槽,试验装置设计如图1所示,槽宽0·25m,深0·4m,实验段长度约为2m。流体(水)自左向右流动,首先通过毕托管测出来流的平均流速,流速的读取通过斜管差压计获得。然后流体通过旋涡发生体,为了克服水槽边壁以及底部对涡街信号的影响,把发生体设计成与水槽同深,放置在水槽中央,压电探头放置在发生体正后方、检测水槽深度为一半的位置。探头固定在三维坐标架上,通过移动坐标架上的位置来改变探头与发生体之间的距离。需要说明的是,文章中所有提及探头与发生体之间距离是指压电探头中心与发生体尾部之间的距离r,如图2所示,其中d表示发生体宽度。最后,压电探头检测出的涡街信号通过放大电路和ad采集卡输入到计算机中保存。分别对三种宽度的梯形柱旋涡发生体(按照dn50,d=14 mm;dn80,d=22·5mm;dn100,d=28 mm三种口径传感器中发生体尺寸制作)进行了试验,通过调整r,采集不同位置时的涡街信号进行分析。
 
通过对试验数据分析[8],得到以下结论:
 
(1)同一旋涡发生体,流速越大则信号越强,且信号强度随检测位置的变化趋势一致;频率随流速的变大而变大,但在低流速时由于干扰强度大于有用信号强度,会检测到错误的频率成分。
 
(2)不同宽度的旋涡发生体在同一流速下,发生体越宽则频率越低,信号强度相对越弱。
 
(3)旋涡发生体宽度不同,较强信号出现的位置也不同。随发生体宽度变大,信号较强位置逐渐远离发生体,且此区域的范围也逐渐扩大。
 
(4)dn50发生体d=14 mm时信号较强位置r=50~75 mm,dn80发生体d=22·5 mm时r=75~125mm,dn100发生体d=28 mm时r=75~150 mm。
 
2 风洞试验
 
试验在天津大学流体力学实验室三元回流式风洞中进行,同样是对这三种宽度的旋涡发生体下游不同位置的涡街信号进行分析。与水槽试验不同的是,风洞试验采用了热线测速技术,可以得到发生体下游的速度场,结合压电探头的压力信号,可以同时获得涡街流场的速度、压力分布。试验装置如图3所示,实验段截面尺寸高0·60m,宽0·80m,长1·50m,收缩段的收缩比为6·75。其中ifa300为恒温热线风速仪。
 
通过分析速度、压力信号[9],得到以下结论:
 
(1)对压力信号u、流向速度分量vx以及展向速度分量vy均进行了频谱分析。u和vy都表现出了明显的周期性波动,即涡街频率,而vx在不同检测位置表现得频率不稳定。所以,u和vy是可以直接反映涡街脱落过程,作为信号分析的重点。
 
(2)同一旋涡发生体,来流速度越大,u和vy强度越大,而且强度随检测位置变化规律也一致,基本都在相同区域信号强度达到最大。这说明,压电探头检测的压力信号与展向速度分量直接相关,可以互相反映。
 
(3)对于不同宽度旋涡发生体,信号强度随检测点位置的变化规律有所不同。发生体宽度越宽,信号较强位置越远离旋涡发生体。d=14 mm时,信号较强位置r= 50~75 mm;d=22·5 mm时r=100~150 mm;d=28 mm时r=150~200 mm。对信号进一步分析,通过连续小波变换又发现了以下规律:
 
(1)u和vy信号虽然在不同位置的信号强弱不同,但始终包含稳定的涡街频率信号,而vx则在不同位置有较大差异:在信号较强的位置,有用信号频率占主导;在信号较弱的位置,除有用信号外,还包含了很强的倍频信号。
 
(2)虽然vy和vx在不同位置时波动频率不同,但是其合成速度与流向方向的夹角θ的正切tanθ始终保持涡街频率,不随检测位置的改变而改变。
 
(3)由于压力信号和速度信号是同时测得,所以也反映了二者之间的相位关系,其中最明显的是u与vy相位始终相反,即u的小波系数为正时vy的小波系数为负,反之亦然。而且通过进一步分析发现,只有在vx的频率也为涡街频率的位置时,速度、压力信号强度都达到最大。
 
3 分析解释
 
通过水槽和风洞试验得到了许多结论,如何解释这些宏观现象也成为研究的一个部分,这里采用数值仿真方法,通过对涡街流场进行数值模拟,分析涡的运动,从而对试验现象给出合理解释。利用fluent流体仿真软件,分别对试验中用到的dn50旋涡发生体和dn100旋涡发生体在流速为0·52 m/s时进行二维流场仿真,得到静压图4。
 
涡运动都要经历一个产生、发展、成熟和衰退的过程[10],对于旋涡发生体下游产生的涡结构也是如此,如图4所示:涡1是涡在旋涡发生体剪切层附近的成长发展区,随着涡量的不断增长,涡向下游移动,最后与发生体脱离,形成涡2,此时涡已发展完全,即成熟区。随着涡向下游的不断移动,由于粘性耗散,涡逐渐衰退,涡3和涡4即涡的衰退区,在此后的位置,涡将逐渐消失。那么,信号最强位置应该位于涡的成熟区,即涡2的位置。通过对比相同流速下两幅不同宽度旋涡发生体的静压图发现:dn100发生体的旋涡脱落明显慢于dn50发生体,这解释了发生体宽度越宽,旋涡脱落频率越低;若旋涡脱落慢,则涡2就越远离发生体,这说明发生体越宽,其信号最强位置越远离发生体,也与试验结论相符;从图中还发现,dn100发生体的旋涡结构尺寸要明显大于dn50发生体的,因此旋涡发生体越宽,其信号较强区域的范围越大,符合试验结果。
 
 三维涡街流动
 
1 水流量标准装置试验
 
上面针对近似二维涡街流场中传感器探头位置进行了分析,由于涡街流量传感器应用于管道上,管道中的流动具有三维特性,因此对三维涡街流动的研究更具实用价值。试验选择了100 mm口径的涡街流量传感器作为研究对象,为了实现发生体与压电探头距离r可调,将传感器加工成如图5所示。试验中将压电探头固定,通过移动发生体来调整r。压电探头固定在位置1,旋涡发生体上下端部和管壁上下都开有孔,管壁孔间距为32·5 mm,发生体孔间距为6·5 mm,利用螺钉连接发生体和管壁上不同位置的孔来实现发生体与压电探头间距的粗调和细调。试验共测试了r=10~200mm范围内的25个位置点,并在信号较强位置附近进行了加密测量。压电探头检测出的涡街信号通过放大电路,再经数据采集卡采集进计算机,最终保存下来以备数据分析。
 
通过分析管道试验得到的涡街信号,并与水槽中得到的试验结论对比,发现其相同之处:随着压电探头逐渐远离旋涡发生体,涡街信号的幅值表现为先增大后减小,且随着流速的增大,这种趋势越来越明显。涡街频率也随着流速的增大而逐渐增大,靠近旋涡发生体的位置频率不稳定,在较低的流速点尤其明显。
 
但值得关注的是,对于同一尺寸的旋涡发生体,在水槽和管道中的试验现象又有着明显差异:
 
(1)幅值变化。虽然两种实验条件下得到的幅值变化规律趋势一致,但信号最强点出现的位置明显不同。水槽中,d=28 mm旋涡发生体下游最强点出现在r=75~150 mm处;而在管道中,最强点出现在r=25~30 mm处。不仅最强信号出现的位置比水槽中更靠近发生体,而且所占的区域也明显缩小。
 
(2)频率变化。水槽中,流速为0·52 m/s时的频率仅为2·5 hz,这比在管道中实验的最低流速0·354m/s时的频率还要低。整体来看,管道中得到的涡街频率都比水槽中的结果高出至少一倍。对于这一差异,通过数值仿真给出了合理解释,图6、7分别为在水槽和管道中流场二维仿真图。
 
如图6a所示,水槽的宽度相对于发生体宽度来说很大,因此涡的脱落不会受到水槽边壁的影响,从而能够保持其完整的形状。在两列涡的外侧,存在不受涡扰动的流动区域,无论检测位置是否变化,这个区域的流速保持恒定。相反,在管道中,管壁明显对涡造成了影响,管道宽度的变窄,不仅对涡的发展起到了约束作用,使涡产生变形,而且由于发生体两侧流道的变窄,根据质量守恒定理,使得流向速度也比水槽中要大。管壁的约束加快了发生体两侧涡的相互作用,使涡的不稳定性提前发生,而流向速度的增大也会导致涡脱落的加快。综合这两方面因素,流动由在水槽中变化到管道中,必然会加速涡的脱落,导致两种实验条件下涡街频率的差异。
 
在此基础上再来分析导致两种情况下信号最强位置不同的原因。不难发现,在管道中涡的脱落频率加快了,相应地也加速了涡的产生、发展、成熟到衰退这个过程,因此成熟涡会更靠近发生体。同时,涡的脱落频率加快,说明发生体两侧涡的相互作用加快,剪切层厚度也会相应变薄,涡的尺寸变小,因此在管道中信号较强位置的范围也会缩小。归根结底,造成两种情况下幅值、频率差异的原因是流道宽度变小,即管壁对涡脱落造成了影响。再从三维角度考虑,由涡量动力学方程[11]也可以解释二维三维涡街流场的差异:
 
此方程反映的是涡量的输运和变化。方程右端第一项表示对流项,代表涡量顺流向的输运。第二项与涡管的伸缩和扭曲有关,代表顺涡矢方向速度的变化,这种速度矢变化可分为平行于涡矢的分量和垂直于涡矢的分量,前者使涡管伸缩,后者引起涡管扭曲。在二维情况下,ω与v相垂直,该项不存在,所以此项只有在三维流动下才存在。该方程的最后一项代表由于涡量扩散效应引起的涡量的变化。由此可以看出,当流动是三维时,方程右端多了一项涡管的伸缩和扭曲项,与二维相比,涡量的变化率加快,因此涡的脱落频率也相应加快。
 
2 气体流量标准装置试验
 
在临界流喷嘴气体流量标准装置上进行了上述相同的试验,最终得到较强信号出现的位置是在r=25~30 mm处,与在水流量标准装置上得到的探头最佳检测位置一致。同时,与风洞试验结果比较,也发现了在管道中涡街频率基本上是风洞涡街频率的两倍,且最强信号出现的位置比风洞中更靠近发生体,而且其所占的区域明显缩小。
 
无论是水槽、风洞中的试验分析,还是在水、气流量标准装置上的试验结果,都反映出了一个相同的试验结论:涡街流量传感器压电探头检测的最佳位置(即最强涡街信号出现的位置)与发生体宽度有密切关系,可以归纳为,探头位置距发生体尾部距离与发生体宽度呈线性正比关系,且此距离不随被测介质的改变而改变。
 
4 试验数据
 
通过之前的试验分析已经确定了dn100涡街流量传感器的探头最佳检测位置在r=25~30 mm处,这里将此距离确定为28 mm,使其与dn100传感器中发生体宽度一致。对比现有许多厂家dn100涡街流量传感器的设计,其探头位置大都在r=15mm处。因此,以下表1和表2分别给出了两个位置在水、气流量标准装置上的标定试验数据。 
 
由试验数据可以看出,通过实验分析最终确定的最佳检测位置r=28 mm处,无论是线性度还是重复性均有所改善。说明前一部分提出的试验方法以及试验结论是可行和有效的,能够在一定程度上改善涡街流量传感器的测量特性。
 
为进一步验证该结论,又在dn50水装置上进行了对比试验。原探头位置在r=10 mm处,根据本文结论,改进后的探头位置应该在距发生体尾部等于发生体宽度位置处,即对于dn50发生体来说在r=14 mm处,试验结果见表3。
 
同样可以发现,应用改进后探头位置得到的试验结果,其测量范围有所扩展,且能够在保证重复性的基础上测量到更低的下限。
 
5 结 论
 
通过在近似二维涡街流场水槽、风洞中的试验,以及在管道中三维涡街流场水、气流量标准装置的试验,分别揭示了二维、三维涡街流场的流动特性以及不同检测位置对涡街信号的影响,通过分析规律最终确定了涡街流量传感器中探头的最佳检测位置,即探头应放置于距发生体尾部等于发生体宽度距离处,且此距离与发生体宽度呈线性正比关系,不随被测介质的改变而改变。将此结论应用于其他口径涡街流量传感器中,均能在一定程度上改善涡街流量传感器的测量特性,具有一定的推广意义。
上一页:涡街流量计的研究频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响
下一页:涡街流量计在蒸汽计量领域中的使用注意事项