采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法研究了三傳感器氣體渦輪流量計(jì)性能.三個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器周向均布安裝在流量計(jì)喉部同一橫截面.實(shí)驗(yàn)流量計(jì)尺寸為DN50,實(shí)驗(yàn)在流量為0.25~127 m3/h的音速噴嘴裝置上進(jìn)行,流量測(cè)試范圍為20~100 m3/h.主要檢測(cè)和分析旋渦進(jìn)動(dòng)頻率特性和脈動(dòng)壓力信號(hào)強(qiáng)度.結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間呈線性關(guān)系;雙傳感器相對(duì)布置和三傳感器周向均勻布置情況下,壓力差分信號(hào)的RMS值分別增大到單個(gè)傳感器的1.7倍和2.8倍;三傳感器布置方案較雙傳感器方案可進(jìn)一步提高該類(lèi)型流量計(jì)小流量測(cè)量的能力.

　　渦輪流量計(jì)是根據(jù)旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象設(shè)計(jì)的一種流體振蕩式流量計(jì),其主要特點(diǎn)是無(wú)可動(dòng)部件,上、下游直管段要求低,線性測(cè)量量程范圍寬,不易受介質(zhì)黏度和密度影響,對(duì)測(cè)量介質(zhì)的適應(yīng)性廣,因而在氣體、液體、蒸汽,特別是腐蝕性以及較臟的流體計(jì)量中有很大優(yōu)勢(shì).目前,渦輪流量計(jì)在石油天然氣和化工領(lǐng)域有較多應(yīng)用[1-4].國(guó)內(nèi)外對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行了一些研究.

　　1991年Heinrichs[5]采用差分傳感器做了擴(kuò)展渦輪流量計(jì)量程下限的實(shí)驗(yàn)研究.1999年Cas-cetta和Scalabrini[6]對(duì)渦輪流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征測(cè)試,探索該流量計(jì)在計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用的可行性.2001年Fu和Yang[7]應(yīng)用流體力學(xué)仿真對(duì)渦輪流量計(jì)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,并提出用信號(hào)差分處理方法提高渦輪流量計(jì)抗干擾能力.2002年,彭杰剛等[8]對(duì)于傳感器感應(yīng)面方位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)傳感器徑向安裝、感應(yīng)面平行于流量計(jì)軸線時(shí)所得信號(hào)最好,同時(shí)提出了采用雙傳感器徑向相對(duì)安裝并進(jìn)行信號(hào)差分處理以提高信號(hào)強(qiáng)度,消除和減弱噪音影響.其后,彭杰綱等[9-12]對(duì)渦輪流量計(jì)流體振動(dòng)特性、傳感器壓力信號(hào)處理及內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,獲得了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況、較佳的傳感器安裝方式以及脈動(dòng)流場(chǎng)對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量的影響等信息,同時(shí)提出利用FFT相位判別來(lái)消除流場(chǎng)脈動(dòng)干擾的方法.何馨雨等[13]采用數(shù)值模擬方法研究了渦輪流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性,對(duì)于傳感器安裝位置提出了建議.周凱等[14]對(duì)渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,為設(shè)計(jì)工作中傳感器安裝位置、喉部收縮比、擴(kuò)張角的選擇提供了依據(jù).

　　目前,研究和設(shè)計(jì)人員對(duì)于采用雙傳感器相對(duì)布置(即,相位差180°)普遍認(rèn)可.這種方式在抗干擾方面效果良好.但是,業(yè)內(nèi)對(duì)于下限流量(始動(dòng)流量)偏大、系列設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題還是不滿意,故有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究.從上述研究工作來(lái)看,對(duì)于雙傳感器布置方式如何影響流量計(jì)壓力差分信號(hào)強(qiáng)度還缺乏比較系統(tǒng)的研究,也沒(méi)有信號(hào)增強(qiáng)的定量數(shù)據(jù).另外,雙傳感器方式理論上講可以抵消傳感器安裝徑向同相震動(dòng)等干擾信號(hào),而對(duì)于截面其它方向(如與之正交的另一個(gè)徑向)的噪聲信號(hào)無(wú)法抵消.如果采用三個(gè)傳感器同一截面周向布置,進(jìn)行信號(hào)差分處理后,將可以對(duì)截面內(nèi)各個(gè)方向的噪聲信號(hào)予以抵消或減弱,同時(shí)提高有用信號(hào)的強(qiáng)度,這樣就有可能進(jìn)一步拓展渦輪流量計(jì)測(cè)量下限.本文對(duì)雙傳感器和三傳感器布置方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)比兩者在提高信號(hào)強(qiáng)度方面的效果,探討采用三傳感器方案進(jìn)一步提高渦輪流量計(jì)小流量測(cè)量能力.

　　1　三傳感器渦輪流量計(jì)工作原理

　渦輪流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)旋渦進(jìn)動(dòng)示意圖.流體經(jīng)過(guò)起旋器后形成旋渦流,旋渦流動(dòng)在經(jīng)過(guò)收縮段、發(fā)展段后進(jìn)入擴(kuò)張段,在這里旋流的旋轉(zhuǎn)中心軸,即“渦核”,會(huì)偏離中心軸,作螺旋狀的進(jìn)動(dòng).旋渦進(jìn)動(dòng)頻率f與流量qv成正比,測(cè)得旋渦進(jìn)動(dòng)頻率即能反映流量的大小.這就是渦輪流量計(jì)的基本工作原理.進(jìn)動(dòng)頻率通常是采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量脈動(dòng)壓力信號(hào)來(lái)獲得.當(dāng)采用兩支壓力傳感器相對(duì)布置時(shí)(圖2a),所得壓力信號(hào)進(jìn)行差分處理后,可以消除或減弱外界振動(dòng)的干擾引起的同相位噪音信號(hào),同時(shí)有效信號(hào)能夠得以加強(qiáng).簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下:

　　其中:A—信號(hào)幅值;α—相位角;ε—同相位的噪聲信號(hào).

　　將P1與P2進(jìn)行差分,

　　可見(jiàn),差分后信號(hào)幅值增加到原來(lái)的2倍.當(dāng)采用三個(gè)傳感器,周向均勻布置時(shí)(圖2b),三個(gè)傳感器壓力信號(hào)分別為:

　　可見(jiàn),三個(gè)傳感器的信號(hào)經(jīng)差分求和處理后,信號(hào)強(qiáng)度可增大為原來(lái)的3倍.

　　2　實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)所用氣體渦輪流量計(jì)公稱直徑為DN50,流量計(jì)長(zhǎng)度為232 mm,進(jìn)出口管徑50 mm,收縮段長(zhǎng)度94.2 mm,發(fā)展段(喉部)直徑為36 mm,長(zhǎng)度為35.8 mm,擴(kuò)張段長(zhǎng)為12 mm,擴(kuò)張角度為60°,起旋器葉片數(shù)量為6片,葉片厚度2.5 mm,螺旋角30°,入口沒(méi)有加裝導(dǎo)流葉片.

　　實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)計(jì)量學(xué)院音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行的(圖3).該流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括真空泵、容器罐、音速噴嘴、控制閥門(mén)和控制軟件等,系統(tǒng)負(fù)壓運(yùn)行,流量通過(guò)計(jì)算機(jī)程序設(shè)定,流量范圍為0.25~127 m3/h,系統(tǒng)流量誤差小于0.2%.實(shí)驗(yàn)中,將所選流量計(jì)水平安裝在音速噴嘴裝置DN50口徑的進(jìn)口管道上

　　流量計(jì)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率采用單晶硅壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量,傳感器直徑為10 mm,量程為±2.5 kPa,提供0~5 V的輸出,響應(yīng)頻帶0~20 kHz.傳感器安裝于流量計(jì)發(fā)展段末端位置,傳感頭前端進(jìn)入流量計(jì)流動(dòng)通道內(nèi)部6 mm,根據(jù)周凱等[14]的研究結(jié)果,這個(gè)位置壓力脈動(dòng)信號(hào)比較強(qiáng).為了進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)中采用了雙傳感器和三傳感器兩種方案.雙傳感器方案中,兩個(gè)傳感器相對(duì)布置在同一截面;三傳感器方案中,三傳感器均勻布置,即互相間隔120°.壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)由NI公司9205數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集.

　　實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)雙傳感器和三傳感器方式,分別在20~100 m3/h之間選取了5個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量.動(dòng)態(tài)壓力采樣頻率4 kHz,采樣時(shí)間為10 s.

　　3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　3.1　壓力信號(hào)時(shí)域圖和頻域圖

　　雙傳感器和三傳感器壓力測(cè)量數(shù)據(jù).其中,左列為時(shí)間序列信號(hào),單個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù),以及兩個(gè)或三個(gè)傳感器的壓力差分信號(hào)都在圖中給出.從圖中曲線可以看出,壓力周期性脈動(dòng)特征非常明顯,不同傳感器的壓力信號(hào)周期相同,而相位不同.為了得到壓力脈動(dòng)頻率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行了頻域分析.圖4和圖5中右列為壓力差分信號(hào)的功率譜曲線.單支傳感器的壓力信號(hào)的功率譜曲線中頻率特性與差分信號(hào)一樣,因此沒(méi)有給出曲線圖.圖中功率譜曲線上出現(xiàn)的主要峰對(duì)應(yīng)的頻率就是旋渦進(jìn)動(dòng)頻率,可見(jiàn)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率隨著流量的增大而增大.圖6顯示了旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間的關(guān)系.在測(cè)量范圍內(nèi),無(wú)論是雙傳感器還是三傳感器,旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間顯示很強(qiáng)的線性關(guān)系.表1中列出了旋渦進(jìn)動(dòng)頻率的具體數(shù)值,流量從20 m3/h增大到100 m3/h時(shí),旋渦進(jìn)動(dòng)頻率從128 Hz增大到大約640 Hz.而雙傳感器和三傳感器數(shù)據(jù)存在細(xì)微偏差,這主要是由于兩次實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度差別引起的

　　對(duì)于安裝于渦輪流量計(jì)的傳感器來(lái)說(shuō),主要目的是檢測(cè)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率,因此關(guān)心的主要是壓力脈動(dòng)值,即壓力脈動(dòng)的強(qiáng)弱,這項(xiàng)指標(biāo)可以由壓力脈動(dòng)信號(hào)的均方根值(RMS)體現(xiàn).RMS值的計(jì)算公式為:\

　　式(5)中:Pi—瞬時(shí)壓力;-P—平均壓力;N—壓力數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).

　　壓力信號(hào)的RMS值曲線圖.圖中顯示壓力信號(hào)RMS值隨著流量增大而增大.而雙傳感器和三傳感器差分信號(hào)的RMS值比單支傳感器信號(hào)明顯增強(qiáng).表2給出了RMS值的具體數(shù)值.在整個(gè)流量測(cè)試范圍內(nèi),雙傳感器和三傳感器信號(hào)差分后強(qiáng)度分別增大到單支的大約1.7倍和2.8倍.制約渦輪流量計(jì)小流量測(cè)量性能的因素主要有以下3個(gè):(1)旋渦進(jìn)動(dòng)流體力學(xué)機(jī)制方面.在流量比較小的情況下,流體流過(guò)起旋器后不能產(chǎn)生或產(chǎn)生極微弱的旋渦進(jìn)動(dòng)信號(hào),無(wú)法引起足夠強(qiáng)的流體壓力或速度脈動(dòng),此時(shí)渦輪流量計(jì)無(wú)法工作;(2)由于管壁振動(dòng)等干擾信號(hào)的影響,測(cè)量系統(tǒng)信噪比過(guò)低,無(wú)法進(jìn)行有效的流量測(cè)量;(3)由于傳感器靈敏度限制,只有流動(dòng)的脈動(dòng)信號(hào)達(dá)到最低強(qiáng)度要求,才能實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量.對(duì)于前兩項(xiàng)因素,本文研究并未涉及;而對(duì)于第三個(gè)因素,當(dāng)采用本研究中三傳感器方案時(shí),信號(hào)強(qiáng)度得以加強(qiáng),因此渦輪流量計(jì)測(cè)量下限流量可以獲得進(jìn)一步拓展.但是具體能夠測(cè)量的最小流量極限,還有待于通過(guò)對(duì)采用這種方案設(shè)計(jì)的流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試來(lái)確定.

　　3.2　壓力信號(hào)的相位關(guān)系

　　相位相干譜線可以體現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)之間在相應(yīng)頻率上的相位關(guān)系.圖8為30 m3/h流量情況下雙傳感器壓力信號(hào)的相位相干譜線.圖中顯示,在旋渦進(jìn)動(dòng)頻率(即,頻率大約為190 Hz),兩個(gè)信號(hào)之間的相位差為大約180°,剛好反相.圖9為三傳感器壓力信號(hào)相互之間的相位相干譜線,傳感器1與2相差大約120°,傳感器1與3相差大約-120°,傳感器2與3相差也是大約120°.對(duì)于其它流量時(shí)的脈動(dòng)壓力信號(hào)也進(jìn)行了相位分析,結(jié)果與30 m3/h流量的結(jié)果類(lèi)似.可見(jiàn),實(shí)際測(cè)試結(jié)果與公式(1)~(4)中的假設(shè)一致,證明了理論分析結(jié)果的可信性.

　　針對(duì)氣體渦輪流量計(jì)安裝兩個(gè)和三個(gè)壓力傳感器的方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論.

　　1)測(cè)試數(shù)據(jù)表明雙傳感器相對(duì)布置和三傳感器周向均勻布置情況下,壓力差分信號(hào)的RMS值分別增大到單個(gè)傳感器的1.7倍和2.8倍,表明信號(hào)強(qiáng)度明顯增強(qiáng).三傳感器布置方案可進(jìn)一步提高流量計(jì)對(duì)于小流量測(cè)量的能力.

　　2)采用雙傳感器方案時(shí),壓力信號(hào)相位差為大約180°;三傳感器周向均布方案時(shí),傳感器相互之間的相位差為120°,與理論相符.