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涡街流量计抗管道(dào)周期振动性能的试验研究

点击次数:2581 发布时间:2021-03-19 08:17:51
摘要:为研究涡街(jiē)流量(liàng)计在管道周期振动情况下的抗振(zhèn)性能,对国内广(guǎng)泛应(yīng)用的应力式模拟涡街流量计,在气体流量管道周期振动试验装置上进行了不同振动加速度和方向的试验。通过对振动产生仪表系数相对误差的研究,得出(chū)模拟涡(wō)街流(liú)量计的抗振加速度,并分析了此时涡街流量传感器输出信号的品质特征。*后,为与模拟涡街作比较,对凯铭生产(chǎn)的数字涡街流量计进行了相同的管道(dào)周期振动试(shì)验,研究了数字涡街的抗振性能,并发现(xiàn)振动倍(bèi)频信号是导致仪表系数(shù)相对误差出现的主要原因(yīn)。
1、引言
涡街流量计具有无可动部件、对流体物性变化不(bú)敏感、适用于多种介质、压力损失小、输出与流体流速成正(zhèng)比的脉冲信号等优点(diǎn),广泛应用于计量和工(gōng)业过程控制领域中。但是,涡街(jiē)流量计本质上是流体振动型流(liú)量计,它(tā)对机械振动、流体的流动状态特别敏(mǐn)感,不仅可以感受传感器受到的涡街力,还可以感受到传感器受(shòu)到的其他力,如管道周期振动、流体脉动以及流体的冲击力等,这些干扰势必会对涡街流量计的正常计(jì)量产(chǎn)生很大影响。在流(liú)体脉动方面研究较多,国外Hebrard等和Peters等研究了脉动的流体对涡街(jiē)流量计测量精(jīng)度的影响;国内蒙(méng)建波等和徐科军等借助仿真手段研究了周期性脉动流条件(jiàn)下涡街流量传感(gǎn)器输出信号(hào)的频率测量方(fāng)法。Miau等还专门研究了冲击振(zhèn)动情况下对压电式涡街流量计输出的影响。而关于管道(dào)周期振动方面,文(wén)献很(hěn)少,仅荷兰T**-TPD流量(liàng)中心对商用涡街流量计通过(guò)电(diàn)流输出误差分(fèn)析研究管道振动对测量产生的影响。可是(shì)管道周期振动现象普(pǔ)遍存(cún)在于工业现场(chǎng)(如压缩机、鼓风机、泵等动力设备引起的管(guǎn)道振动),而目前尚无有关涡街流(liú)量计抗管道周期振动的统一标准。
本文拟(nǐ)定涡街流量(liàng)计仪表系数相对误差绝对(duì)值小(xiǎo)于3%作为涡街流量计抗(kàng)管道周期振动的标准(zhǔn),对国内广泛使用的应力式模拟(nǐ)涡街流量计进行了不同振动加速度的试验,研究其抗(kàng)振性能,并分析了涡街信号品质特性(xìng),*后对凯铭(míng)公司的数(shù)字涡街流量计进行了相同的管道周期振动试验,分(fèn)析其抗振性能。
2、试验装置(zhì)
气体流量管道周期振动试验装置结构如图1。为避免气体压力波动(dòng),图中设备1先将空气压缩打人2中,经3冷却除湿后,得到的纯净气体先后流经(jīng)4、5、7、10后,通向大气。流量校准采用涡轮标准表法,涡轮(lún)流量计内径50mm,流量范围5~100m3/h,精度为1%。两台压力变送器的精度均为2‰。
管道周期振动试验设备由11、12组成,实物如图2。11为激振设备,由(yóu)振动台体和控制器组(zǔ)成,具有调频(1~400Hz)、定(dìng)加(jiā)速度(<20g)/振幅、输出正弦类波形等功能,从(cóng)而使不(bú)同(tóng)加速度(dù)和频率下(xià)的周期振动试验得以实现(xiàn)。12为测振设备(bèi),采用压电式加速度传感器准确测量涡街流量计所在处管道(dào)振动状态。由于振动台为单自由度,仅能产生垂直方向即图1中Y方向管道振动,为了实现水平方(fāng)向管道振动,将涡街流量计旋转90°安装如图2(b),此时(shí),振(zhèn)动台工(gōng)作方向相对于涡街流量计即实现了图1所示的x方向。为避免管道振动对涡轮标准表产生影响,在涡街(jiē)流量计上游2.5m处加装软管以消除机械振动。
3、模(mó)拟涡街流量计管(guǎn)道振动试验
3.1管道(dào)振动(dòng)频(pín)率的选择管(guǎn)道的机械振动大多数(shù)是(shì)由空压机、离心泵所激励的,这(zhè)些设备本质都是电动机的转动,激振频率与电机的转速频率密切相关。现有电机的转速大部分小于3000r/min,对应(yīng)的*大转速频率为50Hz。试验中选择40Hz来模拟工(gōng)业现场的管(guǎn)道振动频率。
3.2抗振性能标(biāo)准(zhǔn)的拟定
涡街流量计的仪表系数是涡街流(liú)量计进行流量计量(liàng)的一个重要参数,其(qí)线性度好坏直接影响着涡街流量计测量的精度。鉴于目前涡街流量计(jì)的抗振(zhèn)标准尚未出现,且试验中(zhōng)使用(yòng)的(de)气体涡街流量计精(jīng)度为1.5级,本文拟定仪表系数相对误差绝对值小(xiǎo)于3%作为涡街流量计抗管道振动的标准。
3.3管道周期振动试验结果及分析
以应力式模拟涡街流量计(jì)为被测对象,在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下(xià),分(fèn)别进行了无振动和施加管道周期振动的实流标(biāo)定试验。管道振动方向为垂直方向和水平方(fāng)向,加速(sù)度为(wéi)0.05-0.5g。根据试验数据(jù),绘制出不同管道振动加速度(dù)下涡街仪表系数相对于无管道振动时平均仪表系数的相对误差曲线,垂直方向结果如图3(a)所示(shì)。
由图3(a)可知,一方面,在(zài)相(xiàng)同的振(zhèn)动加速(sù)度下(xià)不同流速(sù)对(duì)涡街(jiē)流量(liàng)计测量(liàng)影响的程度是不同的。低(dī)流速时受管道(dào)振动影(yǐng)响更(gèng)加严重,涡街流量计输出脉冲频率即为管道振动频率,如(rú)振动加速度较大时,5m/s处相对误差集中在一点。随着流速的升高,涡街流量计受(shòu)管道振动影响根据振动加速度的不同可(kě)分为以下三种情况:
(1)管道振动加速度为0.05g、0.1g时,仪表系数(shù)相对误差随流速(sù)的升高而减小,*终减小至零;
(2)管道振动加速度为0.2g时,仪表系数相对误差随流速升高先增大后减小,*终减小至零;
(3)管道振动加速度为0.5g时(shí),仪表(biǎo)系数(shù)相对误差随流速升(shēng)高先增大后减小,但(dàn)*终未减至零。
出(chū)现(xiàn)上述现象的原(yuán)因在于(yú):应力式(shì)涡街流量计是利用压电探(tàn)头对交(jiāo)替作用(yòng)在(zài)其上的升力的检测获得涡街频率的,而升力与被测流体的密度和流速平(píng)方成正比。低流速时升(shēng)力(lì)幅值小,易受到(dào)管道(dào)振动的干扰,当振动加(jiā)速度较大时,振动信号的幅值超过了(le)涡街升力的幅值,有用信号完全被淹没。只能检测到管(guǎn)道振动信号,故仪表系数相对(duì)误差集中在一点。随(suí)着流(liú)速升高,作用在旋涡发生(shēng)体上的升力幅值(zhí)成平(píng)方倍增长,而管道振动加速度不变即振动幅值(zhí)不变,故(gù)压(yā)电探头检测到(dào)的混合信号中涡街有用信号逐渐显露(lù)出来。当管(guǎn)道振动加速度(dù)为*(1)种情况时,涡街信号幅值随流速升高而迅速增强,*终能(néng)够抑制振动(dòng)信号使误差减小至(zhì)零。当管道振动(dòng)加速度为(2)(3)情况时,在低流速下,检测到(dào)的信号完全是振动信号,以此固定的管道振动频率作为涡街输(shū)出频(pín)率,得出的(de)仪表系(xì)数自然随流速升高而减小,导致相对误差增大;随着流速的升高(gāo),涡街(jiē)信号幅度增(zēng)大,信噪比提高,相对误差随之减小,而振动加速度为0.5g时振动相对(duì)较(jiào)强,涡街信号幅值随流速升高虽(suī)有大幅提升,但仍无法完全抑制振(zhèn)动(dòng)信(xìn)号(hào),仪表(biǎo)系数相对误差有所减小,但未减至零。
另(lìng)一方面,除(chú)*低流速点外,相同流速下仪表系数相对误差随振动(dòng)加速度的增加而增大,这是由于(yú)振动加速度的增加导致管道振动干扰的幅度变大,对涡街流量计脉冲输(shū)出造(zào)成更加恶(è)劣的影响。
为了对比不同方向管道振动对涡街流量计测量的影响,将管道振动改为(wéi)水平方向重新进(jìn)行试验,得到图3(b)曲线。通过与(yǔ)图3(a)比较,发现(xiàn)两种情况下流速及振动加速度对仪表系数相(xiàng)对误差的影(yǐng)响趋势类似。依据(jù)先(xiān)前拟定的抗振标(biāo)准,应力(lì)式模拟
涡街(jiē)流(liú)量计抗管道振(zhèn)动的性能较差,垂直方向抗振加速度(dù)为0.05g,水平(píng)方向抗振加速度小于0.05g。
3.4涡街信号品质分析
为了(le)观测管道周(zhōu)期(qī)振动下涡街流量信号的特征,利用NI USB-6009数据采集卡对(duì)涡街正弦信号(hào)进行采样。以垂直方向管(guǎn)道振动加速度为0.1g为例,给出了不同流速下涡街信号的时频域图(tú),如图4所示。由时域部分可知,管道振动下涡街流量传(chuán)感器输出的信号(hào)为真实旋涡脱落信号和管道振动信号的合成信(xìn)号。低流速(≤1lm/s)时,管(guǎn)道振(zhèn)动信号强、占主(zhǔ)要成分,涡街信号叠加在其(qí)上;随着流速变(biàn)大(dà)(11~20.5m/s),涡街信号逐渐显露出来成为主要成分、淹没振动信号。由频(pín)域可知,振动信号成分较单一,呈尖峰状,幅值为定(dìng)值,不随流速变化而变,除40Hz基(jī)频外还有2、3倍频出现;而涡街信号成分稍复杂,呈塔峰状,幅值随(suí)流速变大而迅速增强,频谱能量占总能量比(bǐ)重也随流速增(zēng)加而变大。
为了定量地分析管道振动下涡(wō)街信(xìn)号的质量,引用参数Sq:
Sq=10In(Ps/Pn)(1)
式中:Ps为涡街频率带0.96f~1.04f范围内的信号能量;PN为总能量减(jiǎn)去Ps后的能量;f为频谱分(fèn)析得到的涡街频率值。Sq为正或负,说明涡(wō)街频(pín)率带的能量大(dà)于或小于其它频带的(de)能量。
图5给出了不同管道振(zhèn)动加速度下涡街信号品质随流速变(biàn)化的情(qíng)况。不论振动加(jiā)速度如(rú)何变换,Sq的变化趋势都(dōu)是随着流速的增加而变大,但Sq何时由负变(biàn)正,则与振动加速度(dù)密切相关。相同流速下,管道振动加速度越大(dà),Sq值越小,涡街信(xìn)号品质越差。Sq小于零时,表明由振动引起的其他频带能量大于(yú)涡街频(pín)带能量,且Sq绝对值越大,涡街信(xìn)号品质越差(chà),涡街流量计的测量误差越大;Sq大于零时,表明(míng)涡街频率带的能(néng)量大(dà)于其它频带的能量,管道振动对涡街信号(hào)影响(xiǎng)较(jiào)小,且Sq值越大,涡街信号品质越好,涡街流量计的测量误(wù)差越(yuè)小。这也与图3(a)得到的(de)试验结果(guǒ)完全吻合。
4、数字涡街流量计管道振动试验结果
为了与应力(lì)式模拟涡街流量计抗振性能进(jìn)行对比,本文还选(xuǎn)用了凯铭公(gōng)司生产的数字涡街流量计进行相同条件下的管道周期振动试验。试验结果整理如图6、7。
由图可知,凯铭数字涡街能将真实涡街信号辨识出来,但当管道振动加速度(dù)增大时,仪(yí)表系数相对(duì)误差明显增大,也出现了同应力式模拟涡街相类似的先增大(dà)后减小的情况,而且水平方向相对误差大于垂直方向。根据测量数据可知,采用(yòng)了SSP技术的凯铭(míng)数字(zì)涡(wō)街已将管道振动信号基频40Hz滤除,而(ér)较大的相对误差是由于管道振动(dòng)的(de)倍频信号所引起的。同样,ABB数字涡街也(yě)出现了同凯铭涡街相类似(sì)的试验结果,且(qiě)由振动倍(bèi)频信号导致的相对误差更大。出现倍频信号的原(yuán)因可以归结为两个方面(miàn):*一,施振装置本身产生的振动信号并不是纯净的,其中夹杂着设定频率振动信号的(de)倍频信(xìn)号;*二,管道的(de)安装、连接(jiē)过程中,螺丝(sī)的(de)松动、不平衡、不对中等都会使系统产生倍频现象。
根据试验数据,按照前文拟(nǐ)定的抗振标准,凯铭数字涡街抗垂直和水平方向管道振动均为0.1g,ABB数字涡街抗垂直方向管道振动为0.1g、水平方向为(wéi)0.05g。
5、结论
(1)在相同(tóng)的管道振动加速度下,不同流速对涡街流量计测量影响的程度不同,相同流速下仪表系数相对误差随管道振动加速(sù)度(dù)的增加而增大。
(2)应力(lì)式模拟涡街(jiē)流量计抗管道振动的性能较差,垂直(zhí)方向抗振加速度为0.05g,水平方向抗振加(jiā)速度小(xiǎo)于0.05g。
(3)凯(kǎi)铭和ABB数字(zì)涡街流(liú)量计均能滤除管道振动基(jī)频信号,但对管道(dào)振动倍频信号(hào)无后续处理。导致管道振动加速度增加时仪表系数(shù)相对误差变大。凯铭数字涡街抗垂直和水平方向管道振动加速度均为0.1g,ABB数字涡街抗(kàng)垂直方向管道振动为0.1g、水平方向为0.05g。

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