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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
发布日期:2017-11-2 8:23:20
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  目前,日本横河(Yokogawa)电机株式会社生产的ZNLGBB涡街流量计在国际市场上的占有率最高.此外,ABB公司、Eastech公司、Foxboro公司、Rosemount公司等生产的ZNLGB涡街流量计也占据了一定的市场份额.不同公司生产的产品具有不同的特点,特别是在涡街发生体的形状设计上,各有千秋,有梯形、长方形、T形,还有多发生体等,对涡街信号的检测也有不同方法,采用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等,在涡街信号处理上为提高测量精度,也有各自独有的一些专利技术.         近年来,国内外科研工作者针对ZNLGB涡街流量计在应用中出现的问题,运用计算机数值仿真技术、微电子技术及先进制造技术,在ZNGB涡街流量计应用领域展开了大量研究,并取得了一定成果. ZNLGB涡街流量计是依据流体振动频率与流速有对应关系的原理工作的.自20世纪60年代末开始研制至今,已开发出众多类型阻流体及检测法的ZNLGB涡街流量计,并在管道流量测量中得到广泛应用,跻身通用流量计之列.ZNGB涡街流量计之所以会受到如此青睐,与它所具有的特点密不可分.首先它输出的是与流量成正比的频率信号,并且频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响;量程范围较宽;精确度为中上水平;无可动部件,可靠性高;结构简单牢固,安装维护方便,维护费较低;应用范围广泛,可适用液体、气体和蒸气.但是应该看到,ZNLGB涡街流量计尚属发展中的流量计,无论其理论基础还是实践经验尚较差.一方面,至今其流量方程经常引用卡门涡街理论,而此理论及其一些定量关系是卡门在气体风洞(均匀流场)中实验得出的,它与封闭管道中具有三维不均匀流场的旋涡分离的规律是不一样的.另一方面,实践经验更是需要通过长期应用才能积累.因此,ZNLGB涡街流量计的基础研究工作必须跟上,否则在实用中会出现一些预料不到的问题.     1 ZNGB涡街流量计测量原理     ZNGB涡街流量计的测量原理如图1所示,在流体管道中插入一定形状的旋涡发生体(阻流体),当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街.经过推导,流体的体积流量Q与漩涡频率f符合下面公式:     Q=f/K     (1)     式中:K为流量计的流量系数,在一定雷诺数范围内K为常数,流量Q与漩涡频率f成线性关系.因此,只要测出f就能求得体积流量Q.     2 ZNLGB涡街流量计文献综述     ZNLGB涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来,深受广大用户欢迎,目前已广泛应用于石油化工、冶金、机械、轻纺、制药等工业领域中,作为管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪表.ZNLGB涡街流量计适用的管道口径一般在300mm以下,测量的精确度对于液体大致在±O.5%~士1%,对于气体在±1%~±2%,重复性一般为0.2%~0.5%.ZNLGB涡街流量计不适用于测量低雷诺数(ReD≤2×104)流体,一般液体平均流速下限为0.5m/s,气体为4~5m/s.         ZNGB涡街流量计属于发展中流量计,无论在理论研究还是实际应用中,都有一些尚未解决的问题,近年来,引起了国内外广泛的关注,特别在以下几方面进行了大量研究.     (1)对旋涡分离规律的研究     ZNLGB涡街流量计的测量原理是基于钝体绕流现象,既当流体绕流非流线形物体(又称钝体)时,在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象,旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系,利用这一关系,通过对旋涡频率的检测实现流量的测量.对钝体绕流问题的研究至今已有一百多年的历史.1912年卡门(Von Kamman)系统地研究了涡街的形成和稳定性等问题,使钝体绕流研究上升到一个新的高度.国际上对流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在20世纪50年代开始的,至今已发表了大量研究论文,得到了一系列研究成果.但是,钝体绕流现象是一种复杂的流动现象,涉及到流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等问题,受到诸如流体流动工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响,虽然经过长期的研究,有了一定的进展,但其中许多基本的理论问题还是没有得到令人满意的结果,并存在着不同的观点和研究方法,特别是在高雷诺数条件下的绕流问题尚待进一步研究.所以,对流体绕流时旋涡脱落特性的研究,对于深化和发展流体力学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义.     在旋涡脱落模式上,Gerrard在文献中对尾流中的涡街形成机制给出了一种物理描述,提出剪切层相互作用模式,即涡街形成的决定性因素是物体后的二个分离剪切层的相互作用.根据这一理论,Bently分别在1996年和2003年设计出多种形状的双发生体ZNGB涡街流量计,来提高测量性能,并取得一定效果.其他科研工作者Perry,Coutancean等也对尾流特性进行了深入研究,提出尾迹开放模式、二次涡振荡模式和近尾迹绝对不稳定模式等涡街形成理论.Zdravkovich在他的综述性文章中,也对各种不同涡街模式进行了论述,提出涡街     对涡街流场的数值仿真计算也从二维的过渡到三维的,湍流方程的求解也有多种方法,如雷诺平均,大涡模拟,涡方法等.文献中,采用了各种数值算法对不同形状钝体不同雷诺数进行仿真计算,在低雷诺数条件下,结果较好,大都能有效的仿真和预测涡街的形成和发展过程,Strouhal数的计算精度也较高.在高雷诺数情况下,涡街的形成机制较复杂,还有待于进一步深入研究.数值仿真的算法也有待于改进,希望得到既有较高的求解精度,又能降低计算机内存和计算时间要求的新算法.形成机制并不是统一的和唯一的,会存在变异,特别是当雷诺数不同时,变化会更大.这些研究结果大部分是通过实验观测得到的,在理论上还有待于作进一步分析和论证. 旋涡脱落后的流场特性与钝体形状和雷诺数密切相关.近年来随着计算机技术的进步,数值仿真理论的发展,对流场特性的研究从二维拓展到三维,从低雷诺数拓展到高雷诺数,建立更接近于实际的数学模型,来分析流体绕流后的流动特性.钝体的外形千变万化,比较有典型意义的是圆柱、方柱和梯形柱,其他形状可以由此演变而得.Williamson在文献中,通过对三维钝体绕流在比较宽的雷诺数范围内进行了研究,分析了Strouhal数和压力系数与雷诺数的关系,发现了一些原来在二维研究中没有考虑到的新的现象.随着雷诺数的增加,尾流从层流涡街向湍流涡街转变,并观察到涡街的三维特性,如流体绕过圆柱钝体后出现的涡的位错,涡街的倾斜,相位的突变和扩展等.Goujon-Durand等在文献中,通过可视化实验技术观察和分析了梯形钝体后的涡街动态特性,用激光多普勒测速仪测量了尾流中流体速度,得到由涡街引起的速度周期性波动的最大幅值及出现的位置与雷诺数关系,发现在钝体后不同位置,速度的波动幅值是不同的,随着涡向下游运动,速度幅值先增加,在某一位置达到最大值后,再逐渐衰减.速度最大幅值和出现位置与雷诺数满足一定关系.Kahawita在文献中,用分步样条算法对上述实验进行数值仿真,得到了相似的结果,证实了该算法的有效性.文献中用此算法对不同的梯形形状进行数值计算,得出梯形形状参数中高度是影响Strouhal数的主要因素.     (2)对旋涡(涡街)发生体形状的研究     旋涡发生体是ZNGB涡街流量计的关键部件,仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性都与它的几何形状、几何参数和排列方式密切相关.但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法,大多通过实验确定,目前用的比较多的是圆柱、三角柱、矩形柱、梯形柱和T形柱等5种.为了得到较好的仪表性能,国内外科研工作者通过实验和数值仿真计算,在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索.     Miau等在文献中,对T形旋涡发生体形状,特别是T形的延伸段长度L和迎流面宽度D之比值L/D进行了研究,不同的L/D,得到的涡街信号不同,经过一系列实验后,得到L/D的值在1.56~2.0时,涡街信号强,信噪比高,并且仪表线性度最好.Nakamura在文献中,对各种带有延伸段的发生体作了更详细的研究,发生体的前段形状有圆形、半圆形、半圆形与矩形组合、矩形和三角形等,宽度为D,同时改变发生体后面延伸段长度L,发现对St数影响最大的因素是L/D而不是发生体形状,St数随着L/D增加而减小,这是因为发生体延伸段长度会改变尾流涡街形成区域的流场结构,这将给ZNGB涡街流量计中旋涡发生体形状和参数设计带来帮助.Hans等在文献中,针对超声涡街频率检测方法,对不同形状的发生体,如:三角柱、梯形柱、倒三角柱(三角形的尖角作为迎流面)及带有螺纹的圆棒等,进行了分析,根据得到信号的时域及频域波形,认为带有螺纹的3mm圆棒在100mm管道中具有最好的特性,并且压力损失最小.     除了在单发生体形状参数方面的研究以外,在双发生体及多发生体方面也有很多新的研究报道.Olsen等对直径方向带有一定宽度槽的圆柱发生体进行研究,单圆柱发生体变为双半圆的双发生体,这时形成的涡街强度和稳定性优于单圆柱发生体.Igarashi将这种双半圆发生体应用于ZNGB涡街流量计,认为其线性度、灵敏度和压损均比传统的梯形发生体要好.Bentley在文献中,分析了单、双发生体的涡街形成机制,重点研究了双发生体不同形状不同位置的设置对测量的影响.Yih-Je-na Jan等在文献中对双发生体的ZNGB涡街流量计进行了数值仿真计算.国内的龚振起、彭杰纲等也先后研究并研制了双发生体ZNGB涡街流量计,生成的涡街具有较强的旋涡强度和较好的稳定性,压力损失小,并且能降低ZNGB涡街流量计测量下限.     这些研究主要还建立在实验基础上,迄今为止,还不能说哪一种形状堪称最佳.因此,在理论和实验上还需要进一步研究,能给出旋涡发生体形状和参数通用的设计准则.     (3)对涡街信号分析及处理的研究 ZNGB涡街流量计在本质上是流体振动型流量计,因此在工业现场使用时,管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度.近年来,国内外针对这一问题从涡街信号处理的角度展开了大量研究. Amadi-Echendu等首次提出采用谱分析方法分析涡街原始信号,提高测量精度,并根据原始信号特点建立仿真信号表达式,以监测系统运行.徐科军等也采用了多种谱分析方法处理涡街信号.BliscZNe、蒙建波和徐科军等提出基于自适应建模的“自适应陷波方法”,陷波器抑制一个特定的频率,此频率即为涡街频率,并且该频率几乎不受带宽以外频率的影响.Menz将多传感器融合技术应用于涡街频率测量,在旋涡发生体下游安装两路超声波传感器,涡街频率可通过两种方法得到:一是直接通过一路超声信号得到,二是对两路超声信号作相关处理,得到旋涡先后通过两测量点的时间来计算涡街频率.最终的涡街频率是将两种测量原理按一定算法融合在一起后得到的,比常用的只用一路信号的测量方法精度高.Hondoh在文献中,以微处理器为核心,采用频谱信号处理技术,利用信号频谱分析的结果,调整带通滤波器参数,以除去噪声,提高测量精度.徐科军、张涛等还提出用小波变换的带通滤波特性对涡街传感器信号进行滤波,去除噪声,以便准确提取涡街频率信息.对涡街信号的分析和处理大多是建立在二次仪表基础上,真正投入实际应用还需要深入分析流体振动源特性,建立一种通用信号模板,解决干扰情况下涡街信号和噪声信号的分离,以准确得到涡街频率引.     (4)对涡街信号检测方法的研究 流体通过旋涡发生体后,伴随旋涡的形成和分离,在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾流周期振荡.依据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测.目前常用的检测方法按传感器来分主要有:热敏元件,压电元件,电容元件,应变元件等,其中以压电元件应用最为广泛.对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用.针对压电传感器在工业现场使用时存在的抗振性差的问题,Miau等人通过实验证明了在压电物质外层包以橡胶,再在外面敷设一层硅膜,能有效减低压电晶体对外界振动的灵敏度.日本横河电机有限公司研究了旋涡升力和管道振动引起的应力分布的不同,发现用两片反向安装的压电元件作检测元件,感受到由旋涡升力引起的电荷量两倍于单个压电元件,而由外界引起的干扰噪声能部分得到抵消. 近来电子技术的发展为涡街信号的检测提供了许多新的手段.Han等在文献中,对超声检测涡街频率进行了一系列的分析,在旋涡发生体下游对称安装超声波发射换能器及接收换能器,超声波在流体中传播时,受到旋涡信号的调制,经信号处理后能得到涡街频率信号.这种方法具非接触测量的优点,并具有较高的测量灵敏度,相应涡街发生体迎流面尺寸比一般的ZNGB涡街流量计小,能有效的减小压损.但只适用于温度变化较小的气体和含气量很小的液体流量的测量.王波、周晓军等提出用光纤传感器检测涡街频率,利用光纤内光强度的变化来进行测量,这种方法能抗电磁干扰,抗环境噪声,具有电器绝缘性,但测量系统较复杂,还在设计模型阶段.莫德举等在文献中提出在旋涡发生体下游安装永久磁铁和信号电极,根据电磁感应定律,用电磁法检测涡街频率.Beta等在文献中将电感传感器用于涡街频率的检测,得到了较好的效果.希望在不久的将来,这些新型传感器得到不断实践和完善,在生产现场能得到广泛的应用.     除了上述研究热点处,国内外在ZNGB涡街流量计智能化研究方面也取得了一定成果,将ZNGB涡街流量计用于多相流测量的研究也有报道,限于篇幅,在此不一一详述.     3 研究的难点和趋势     (1)ZNGB涡街流量计应用于质量流量的测量 ZNGB涡街流量计现在大多用于体积流量的测量.随着能源计量和管理的加强,工业过程自控系统的发展,对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测量上,很多场合如工业生产中各种原料的配比或品质的控制、物料输送、能源输送、贸易结算等往往都需要知道质量流量.质量流量测量是目前流量测量中的重点也是难点问题,从传统的体积流量计,经过改进、完善与提高,发展成质量流量计,是质量流量测量技术发展的一个重要方面,也是当前研究的一个热点问题.国内外科研工作者都已提出将ZNGB涡街流量计用于测量质量流量的方法,但在传感器结构,测量精度等方面还需要进一步完善.     (2)ZNGB涡街流量计应用范围的扩展     ZNGB涡街流量计的应用由于雷诺数的限制,在高粘度、低流速和小口径情况下难以正确测量,量程受限.这需要在旋涡发生体形状,传感器结构方面作优化设计,以适应不同的测量要求.目前由于涡街频率测量元件的限制,ZNGB涡街流量计可正常测量的温度、压力和管道口径有一定要求.如测量的温度范围为-200℃~400℃,最高可承受压力为15MPa,可测量管径的范围为12.5~300mm,随着新的频率检测技术和新的传感技术的不断涌现,为ZNGB涡街流量计的工作范围的扩展提供了可能.     (3)ZNGB涡街流量计的理论基础还很薄弱 对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的,而ZNGB涡街流量计应用于封闭管道,流场具有三维不均匀性,其旋涡分离规律与均匀流场中的旋涡分离不完全相同,J.J.Miau在文献中,对ZNGB涡街流量计的测量不确定度进行了分析,证实斯特罗哈尔数St和雷诺数Re在很大范围内是非线性关系,与管道内流场的三维不均匀性有关,这对ZNGB涡街流量计的测量精度产生很大影响.因此需要流体力学工作者从流量计应用角度对旋涡脱落的流体振动规律进行深入研究,为ZNGB涡街流量计设计提供理论依据.     本文作者对ZNGB涡街流量计测量原理及检测技术进行深入研究,提出利用单一差压传感器测量质量流量的新方法,其测量原理如图2所示.     在涡街发生体的上下游管壁各设置一取压口.上游的取压口用于检测流体在通过涡街发生体前的静压,这时的压力是一稳定值;下游取压口测量得到的压力反映了流体流过涡街发生体后的压力损失及产生旋涡后引起的压力波动,如图3所示.上下游差压ΔP的平均值即为压力损失,可表示为:         (1)     式中:Cp-压力系数           ρ-流体密度           U-流体平均流速     差压波动的频率f为涡街频率,与流速U成正比,两者之间关系如式(2)所示:         (2)     式中:St-斯特劳哈尔数           U1-旋涡发生体两侧平均流速           d-旋涡发生体迎流面宽度           U-被测介质来流的平均速度           m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比     式(1)除以(2)后可以得到:         (3)     因为St和Cp在一定的雷诺数范围内是常数,m、d是涡街发生体尺寸参数,也是常数,所以ΔP/f正比于ρU.质量流量qm可表示为:     qm=ρUA     (4)     式中A为流体管道的截面积.比较式(3)和式(4),可得:           式中,Km即为仪表的质量流量系数,即仪表系数,是一个与旋涡发生体形状、尺寸、上下游取压孔位置等有关的物理量,要正确测量质量流量,Km必须在一定雷诺数范围内保持常数.Km值可以通过实验测量定标得到.     因此,只要测量得到涡街发生体上下游的差压信号,从中得到流体流经发生体的压力降和涡街频率值f,经计算就可以直接得到流体的质量流量.     这一方法巧妙利用涡街发生体具有的流量特性和阻力特性,利用差压检测技术,通过单路差压传感器同时感受由涡街发生体引起的流体双重变化特性,测量流体的质量流量,同时该方法还具有较好的抗干扰性.这一方法目前还处于实验室研究阶段,还需要进一步完善以产品化.    ZNLGB涡街流量计是目前发展势头十分良好的流量计,在管道流量测量中得到广泛应用,并已跻身通用流量计之列.但ZNLGB涡街流量计尚属发展中流量计,其理论基础和实践经验较薄弱,在使用中,还会出现一些预想不到的问题.为解决这些问题,国内外科研工作者进行了大量的研究工作,并取得了一定进展.从ZNGB涡街流量计中旋涡分离、涡街发生体形状、涡街信号检测方法及涡街信号分析和处理几方面对国内外研究现状进行了综述,指出研究中存在的难点及今后的研究方向,并提出一种利用涡街原理的新质量流量测量方法. 由于ZNGB涡街流量计既可用于液体,也可用于气体流量的测量,相比其他直接质量流量计如科氏质量流量计和热式质量流量计具有不可替代的优势,ZNGB涡街流量计若能在质量流量测量方面能得到广泛应用,具有重要意义.
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