采用实验测试方法研究了三传感器气体涡轮流量计性能.三个动态压力传感器周向均布安装在流量计喉部同一横截面.实验流量计尺寸为DN50,实验在流量为0.25~127 m3/h的音速喷嘴装置上进行,流量测试范围为20~100 m3/h.主要检测和分析旋涡进动频率特性和脉动压力信号强度.结果表明,实验流量范围内旋涡进动频率与流量之间呈线性关系;双传感器相对布置和三传感器周向均匀布置情况下,压力差分信号的RMS值分别增大到单个传感器的1.7倍和2.8倍;三传感器布置方案较双传感器方案可进一步提高该类型流量计小流量测量的能力.
涡轮流量计是根据旋涡进动现象设计的一种流体振荡式流量计,其主要特点是无可动部件,上、下游直管段要求低,线性测量量程范围宽,不易受介质黏度和密度影响,对测量介质的适应性广,因而在气体、液体、蒸汽,特别是腐蚀性以及较脏的流体计量中有很大优势.目前,涡轮流量计在石油天然气和化工领域有较多应用[1-4].国内外对涡轮流量计进行了一些研究.
1991年Heinrichs[5]采用差分传感器做了扩展涡轮流量计量程下限的实验研究.1999年Cas-cetta和Scalabrini[6]对涡轮流量计做了实际工况下的仪表特征测试,探索该流量计在计量领域应用的可行性.2001年Fu和Yang[7]应用流体力学仿真对涡轮流量计的流场特性进行了研究,并提出用信号差分处理方法提高涡轮流量计抗干扰能力.2002年,彭杰刚等[8]对于传感器感应面方位进行了实验研究,发现传感器径向安装、感应面平行于流量计轴线时所得信号最好,同时提出了采用双传感器径向相对安装并进行信号差分处理以提高信号强度,消除和减弱噪音影响.其后,彭杰纲等[9-12]对涡轮流量计流体振动特性、传感器压力信号处理及内部流场进行实验和数值模拟分析,获得了旋涡进动效应流场的演变情况、较佳的传感器安装方式以及脉动流场对涡轮流量计测量的影响等信息,同时提出利用FFT相位判别来消除流场脉动干扰的方法.何馨雨等[13]采用数值模拟方法研究了涡轮流量计内部流动特性,对于传感器安装位置提出了建议.周凯等[14]对涡轮流量计结构参数进行了优化研究,为设计工作中传感器安装位置、喉部收缩比、扩张角的选择提供了依据.
目前,研究和设计人员对于采用双传感器相对布置(即,相位差180°)普遍认可.这种方式在抗干扰方面效果良好.但是,业内对于下限流量(始动流量)偏大、系列设计缺乏理论依据等问题还是不满意,故有必要进行进一步研究.从上述研究工作来看,对于双传感器布置方式如何影响流量计压力差分信号强度还缺乏比较系统的研究,也没有信号增强的定量数据.另外,双传感器方式理论上讲可以抵消传感器安装径向同相震动等干扰信号,而对于截面其它方向(如与之正交的另一个径向)的噪声信号无法抵消.如果采用三个传感器同一截面周向布置,进行信号差分处理后,将可以对截面内各个方向的噪声信号予以抵消或减弱,同时提高有用信号的强度,这样就有可能进一步拓展涡轮流量计测量下限.本文对双传感器和三传感器布置方案进行实验研究,对比两者在提高信号强度方面的效果,探讨采用三传感器方案进一步提高涡轮流量计小流量测量能力.
1 三传感器涡轮流量计工作原理
涡轮流量计内部流动旋涡进动示意图.流体经过起旋器后形成旋涡流,旋涡流动在经过收缩段、发展段后进入扩张段,在这里旋流的旋转中心轴,即“涡核”,会偏离中心轴,作螺旋状的进动.旋涡进动频率f与流量qv成正比,测得旋涡进动频率即能反映流量的大小.这就是涡轮流量计的基本工作原理.进动频率通常是采用动态压力传感器测量脉动压力信号来获得.当采用两支压力传感器相对布置时(图2a),所得压力信号进行差分处理后,可以消除或减弱外界振动的干扰引起的同相位噪音信号,同时有效信号能够得以加强.简单推导如下:
其中:A—信号幅值;α—相位角;ε—同相位的噪声信号.
将P1与P2进行差分,
可见,差分后信号幅值增加到原来的2倍.当采用三个传感器,周向均匀布置时(图2b),三个传感器压力信号分别为:
可见,三个传感器的信号经差分求和处理后,信号强度可增大为原来的3倍.
2 实验装置
实验所用气体涡轮流量计公称直径为DN50,流量计长度为232 mm,进出口管径50 mm,收缩段长度94.2 mm,发展段(喉部)直径为36 mm,长度为35.8 mm,扩张段长为12 mm,扩张角度为60°,起旋器叶片数量为6片,叶片厚度2.5 mm,螺旋角30°,入口没有加装导流叶片.
实验是在中国计量学院音速喷嘴气体流量标准装置上进行的(图3).该流量标准装置主要包括真空泵、容器罐、音速喷嘴、控制阀门和控制软件等,系统负压运行,流量通过计算机程序设定,流量范围为0.25~127 m3/h,系统流量误差小于0.2%.实验中,将所选流量计水平安装在音速喷嘴装置DN50口径的进口管道上
流量计旋涡进动频率采用单晶硅压力传感器进行测量,传感器直径为10 mm,量程为±2.5 kPa,提供0~5 V的输出,响应频带0~20 kHz.传感器安装于流量计发展段末端位置,传感头前端进入流量计流动通道内部6 mm,根据周凯等[14]的研究结果,这个位置压力脉动信号比较强.为了进行对比,实验中采用了双传感器和三传感器两种方案.双传感器方案中,两个传感器相对布置在同一截面;三传感器方案中,三传感器均匀布置,即互相间隔120°.压力传感器测量数据由NI公司9205数据采集卡进行采集.
实验中,针对双传感器和三传感器方式,分别在20~100 m3/h之间选取了5个流量点进行了测量.动态压力采样频率4 kHz,采样时间为10 s.
3 实验结果及讨论
3.1 压力信号时域图和频域图
双传感器和三传感器压力测量数据.其中,左列为时间序列信号,单个传感器测量数据,以及两个或三个传感器的压力差分信号都在图中给出.从图中曲线可以看出,压力周期性脉动特征非常明显,不同传感器的压力信号周期相同,而相位不同.为了得到压力脉动频率,对信号进行了频域分析.图4和图5中右列为压力差分信号的功率谱曲线.单支传感器的压力信号的功率谱曲线中频率特性与差分信号一样,因此没有给出曲线图.图中功率谱曲线上出现的主要峰对应的频率就是旋涡进动频率,可见旋涡进动频率随着流量的增大而增大.图6显示了旋涡进动频率与流量之间的关系.在测量范围内,无论是双传感器还是三传感器,旋涡进动频率与流量之间显示很强的线性关系.表1中列出了旋涡进动频率的具体数值,流量从20 m3/h增大到100 m3/h时,旋涡进动频率从128 Hz增大到大约640 Hz.而双传感器和三传感器数据存在细微偏差,这主要是由于两次实验中环境温度差别引起的
对于安装于涡轮流量计的传感器来说,主要目的是检测旋涡进动频率,因此关心的主要是压力脉动值,即压力脉动的强弱,这项指标可以由压力脉动信号的均方根值(RMS)体现.RMS值的计算公式为:\
式(5)中:Pi—瞬时压力;-P—平均压力;N—压力数据个数.
压力信号的RMS值曲线图.图中显示压力信号RMS值随着流量增大而增大.而双传感器和三传感器差分信号的RMS值比单支传感器信号明显增强.表2给出了RMS值的具体数值.在整个流量测试范围内,双传感器和三传感器信号差分后强度分别增大到单支的大约1.7倍和2.8倍.制约涡轮流量计小流量测量性能的因素主要有以下3个:(1)旋涡进动流体力学机制方面.在流量比较小的情况下,流体流过起旋器后不能产生或产生极微弱的旋涡进动信号,无法引起足够强的流体压力或速度脉动,此时涡轮流量计无法工作;(2)由于管壁振动等干扰信号的影响,测量系统信噪比过低,无法进行有效的流量测量;(3)由于传感器灵敏度限制,只有流动的脉动信号达到最低强度要求,才能实现有效测量.对于前两项因素,本文研究并未涉及;而对于第三个因素,当采用本研究中三传感器方案时,信号强度得以加强,因此涡轮流量计测量下限流量可以获得进一步拓展.但是具体能够测量的最小流量极限,还有待于通过对采用这种方案设计的流量计样机进行测试来确定.
3.2 压力信号的相位关系
相位相干谱线可以体现两个信号之间在相应频率上的相位关系.图8为30 m3/h流量情况下双传感器压力信号的相位相干谱线.图中显示,在旋涡进动频率(即,频率大约为190 Hz),两个信号之间的相位差为大约180°,刚好反相.图9为三传感器压力信号相互之间的相位相干谱线,传感器1与2相差大约120°,传感器1与3相差大约-120°,传感器2与3相差也是大约120°.对于其它流量时的脉动压力信号也进行了相位分析,结果与30 m3/h流量的结果类似.可见,实际测试结果与公式(1)~(4)中的假设一致,证明了理论分析结果的可信性.
针对气体涡轮流量计安装两个和三个压力传感器的方案进行了实验研究,得到如下结论.
1)测试数据表明双传感器相对布置和三传感器周向均匀布置情况下,压力差分信号的RMS值分别增大到单个传感器的1.7倍和2.8倍,表明信号强度明显增强.三传感器布置方案可进一步提高流量计对于小流量测量的能力.
2)采用双传感器方案时,压力信号相位差为大约180°;三传感器周向均布方案时,传感器相互之间的相位差为120°,与理论相符.
