摘要:爲了提(tí)高渦(wō)街流(liú)量計(jì) 的抗幹(gàn)擾(rǎo)性和(hé)穩定(dìng)性并保證(zhèng)測量(liàng)精度(dù),提出(chū)了一種基于管(guǎn)壁差壓的旋(xuán)渦(wō)頻率檢(jiǎn)測(cè)新方(fāng)法.在水和(hé)空氣(qì)不同管(guǎn)内流動介質的(de)情況下(xià)進行了系統實(shí)驗.應用旋(xuán)渦動(dòng)力學和流體阻(zǔ)抗法(fǎ),分析了取(qǔ)壓位(wèi)置和引壓(yā)管頻率特(tè)性因(yīn)素對該方法測(cè)量性能(néng)的影響.結果(guǒ)表明,在旋(xuán)渦發生體下遊(yóu)的一定距離内(nèi),取壓位置對該(gāi)方法的(de)斯特勞(láo)哈爾數和儀表(biǎo)系(xì)數(shù)的影響很(hěn)小，較靠近(jìn)旋(xuán)渦(wō)發生(shēng)體迎流面(miàn)的地方可測流量下限低.引壓(yā)管(guǎn)的長度應盡(jìn)量短,并且(qiě)保證(zhèng)其固有(yǒu)頻(pín)率與(yǔ)渦街頻率相差較大該方(fāng)法簡便可靠,适應性(xìng)強,測量下限(xiàn)低.
　　旋渦頻率的檢(jiǎn)測是渦街流量(liàng)計的(de)關鍵,壓電(diàn)晶(jīng)體法是(shì)目前(qián)最爲(wèi)常用的檢(jiǎn)測方法.但(dàn)是壓(yā)電晶(jīng)體(tǐ)檢測法(fǎ)存在(zài)兩個嚴重的問題(tí):1)壓電晶(jīng)體對(duì)管道(dào)的(de)振(zhèn)動較(jiào)敏感.2)壓電(diàn)晶體(tǐ)長(zhǎng)期(qī)使用的穩(wěn)定(dìng)性差.爲(wèi)了解決上述問題,研(yán)究人員從(cóng)傳感器的結構形式和(hé)流量信(xìn)号的(de)分析處理等方面進行了(le)廣泛深人的(de)研(yán)究,取得了大量的成(chéng)果,但(dàn)是都(dōu)難以(yǐ)從根本上(shàng)予以解(jiě)決(jué).
　　 根據(jù)流體力學基本原理,在對(duì)渦街流量計流(liú)場數值仿真的(de)基礎(chǔ)上提(tí)出了渦街(jiē)流量計旋渦頻(pín)率檢測(cè)的管壁(bì)差壓法,并對在不同管徑方向(xiàng)的取壓(yā)位(wèi)置也(yě)作了(le)研究(jiū).結果(guǒ)表明,該方(fāng)法簡(jiǎn)便可(kě)靠,不(bú)幹擾管道(dào)内的(de)流動(dòng),抗幹擾性強,從(cóng)而形成一(yī)種新(xīn)型.的渦街流量計,即管(guǎn)壁差壓(yā)式渦街流量計本文在(zài)已(yǐ)有的(de)研究基礎(chǔ)上,應用旋渦動(dòng)力學(xué)和流體(tǐ)阻(zǔ)抗法的有關原理,從(cóng)取壓位置和差(chà)壓檢(jiǎn)測系(xì)統兩個方(fāng)面人手,分(fèn)析了各(gè)種(zhǒng)因素對管(guǎn)璧差(chà)壓式渦街流量計測(cè)量的影(yǐng)響,提出(chū)了相應的(de)解決方案(àn),爲(wèi)優化測(cè)量提(tí)供了指導.
1測(cè)量(liàng)原理與特(tè)點
　　 在渦(wō)街流(liú)量(liàng)計中,有旋(xuán)渦産生的地方必有(yǒu)壓力的變化,交(jiāo)替産生的旋渦(wō)必然(rán)會導緻附近流場的(de)壓力出現規則(zé)的變(biàn)化,其變化(huà)的頻(pín)率與旋渦的頻(pín)率一一(yī)對(duì)應,因此可以通(tōng)過檢(jiǎn)測發(fā)生體尾流中某(mǒu)确定的兩(liǎng)點(diǎn)間的波動差(chà)壓來測量(liàng)旋(xuán)渦(wō)頻率,從而(ér)實現(xiàn)流量的測量.由于發生體(tǐ)兩側對(duì)稱(chēng)點上(shàng)的相(xiàng)位差爲(wèi)180°,且振(zhèn)動(dòng)幅度(dù)和頻率相(xiàng)等,因此将(jiāng)差壓取壓位置選取(qǔ)在管壁上(shàng)的對(duì)稱點更(gèng)利于檢(jiǎn)測,如(rú)圖1所(suǒ)示,其中圖(tú)1(a)、(b)分别爲沿(yán)着管道軸向和徑向的(de)截面圖(tú).
　　 數值(zhí)仿真(zhēn)結果(guǒ)都表(biǎo)明,與目前(qián)常用旋渦(wō)頻率(lǜ)檢測(cè)方法(fǎ)相比(bǐ),管壁差壓(yā)法具(jù)有以(yǐ)下明顯優(yōu)勢:1)引壓系(xì)統對(duì)管内待測介質流動幾(jǐ)乎沒有影響(xiǎng);2)傳感器系(xì)統獨立于旋渦發生體,并且位(wèi)于管(guǎn)道外面，維(wéi)修和(hé)更換時不(bú)需要切斷管流拆卸旋渦發生體,可以實現傳(chuán)感器(qì)在(zài)線(xiàn)維修(xiū)和更換;3)與壓電晶體(tǐ)法相(xiàng)比，具(jù)有較強(qiáng)的(de)抗幹擾性(xìng);4)可測(cè)流量(liàng)下限(xiàn)低.
 
2過(guò)程與(yǔ)裝置(zhì)
　　 在管内流(liú)動介質分别爲水和空(kōng)氣的情(qíng)況下均進(jìn)行了實驗,整(zhěng)個測試(shì)由動力(lì)設(shè)備、穩(wěn)壓設備、标(biāo)準流(liú)量表(biǎo)、前直管段、實驗(yàn)段和(hé)後直(zhí)管段6部(bù)分(fèn)組成.管道的(de)内直徑d=50mm,旋渦發生(shēng)體的(de)橫截(jié)面爲(wèi)梯形(xíng),迎流面寬(kuān)度d=14mm,管(guǎn)壁差(chà)壓(yā)的取壓孔選擇在發生(shēng)體(tǐ)後(hòu)的(de)三對不(bú)同位(wèi)置1、2、3,它們分(fèn)别位(wèi)于距發生(shēng)體迎流面0.2d、0.5d、d的下遊，其中d爲管道内直徑(jìng),如(rú)圖2所(suǒ)示.
　　 空(kōng)氣和水的(de)标準(zhǔn)流量(liàng)表分(fèn)别爲鍾(zhōng)罩标準(zhǔn)流量裝置(zhì)和電(diàn)磁流量計,它們(men)的精度(dù)均爲0.5級(jí).測得(dé)的(de)管壁差(chà)壓經過放大,由(yóu)數字(zì)示波器記(jì)錄保存,再導人(rén)計算(suàn)機(jī)進行處理分析.
 
3取壓位(wèi)置的影響
3.1渦街(jiē)流計内的旋渦(wō)特性(xìng)
　　 由于管壁(bì)的約(yuē)束,渦(wō)街流量計(jì)中(zhōng)旋渦的(de)産生(shēng)和(hé)脫落特(tè)性并(bìng)不(bú)和自由(yóu)流場中的情況(kuàng)完全(quán)相同(tóng).渦街(jiē)流量計(jì)中(zhōng)旋渦(wō)發生體下遊的(de)旋渦(wō)區可以分(fèn)爲3個區段，即密(mì)集發(fā)展段、穩定(dìng)段和旋渦(wō)消散(sàn)段.在密(mì)集發展(zhǎn)段,旋渦旋度2(即(jí)渦(wō)量)沿流(liú)動方(fāng)向x的(de)變化規律(lǜ)爲.
 
　　式中:v爲(wèi)管内平均流(liú)速,d爲管(guǎn)道内直徑(jìng),d爲旋渦發(fā)生體迎流(liú)面寬(kuān)度(dù),xs爲密集(jí)發展段(duàn)的(de)長度(dù).
　　 在穩定段(duàn),旋渦(wō)旋度(dù)爲
 
　　式中:xk爲(wèi)密集(jí)發展段和(hé)穩定段的總長(zhǎng)度.
　　由于d、d、x,和(hé)xk均爲(wèi)常數(shù),根據式(1),(2)可(kě)見,不論是(shì)在密集發(fā)展段還是(shì)在穩定段,旋渦(wō)旋度Ω都(dōu)是正比(bǐ)于流速v,且(qiě)随x的增大而減小.
　　在(zài)旋(xuán)渦(wō)消(xiāo)散段,由(yóu)于流(liú)層之間的相互作用(yòng)能量逐漸消耗,旋渦(wō)逐漸消失(shī).
3.2不同取壓(yā)位置的實(shí)驗結果與(yǔ)比較
3.2.1斯特勞哈(hā)爾數(shù)和儀(yí)表(biǎo)系數渦街流(liú)量計
　　用于(yú)測量的前(qián)提條件是在(zài)--定的雷諾數(shù)re範(fàn)圍内儀.表系(xì)數(shù)k保持爲(wèi)常數,對于(yú)渦街流量計,由(yóu)于k與(yǔ)斯特(tè)勞哈(hā)爾(ěr)數st存在如下(xià)關系:
 
　　因此要(yào)求在一定的雷諾數re範(fàn)圍内st保持(chí)不變(biàn).不同流動介質、不同(tóng)取(qǔ)壓(yā)位置(zhì)的st與re的(de)對(duì)應關(guān)系如(rú)圖3(a)、(b)所示.各(gè)種情況的st基本(běn)上保持(chí)爲常數,且它(tā)們的(de)值均相等(děng),約爲(wèi)0.253.各種(zhǒng)情況的(de)儀表系數列于表1,它們(men)之間(jiān)的最大相(xiàng)對誤差小(xiǎo)于1%,這(zhè)表明(míng)在(zài)旋渦發(fā)生體後(hòu)一(yī)定的(de)距離内，流動介(jiè)質和取壓(yā)位置(zhì)對管(guǎn)壁差(chà)壓式(shì)渦街流量計的(de)測量影響很小(xiǎo).
 
3.2.2最小(xiǎo)可測(cè)流速(sù)
　　渦街流量計測(cè)量下限的拓展(zhǎn)一直是研究的(de)熱點(diǎn).各(gè)種(zhǒng)情況(kuàng)的最(zuì)小可測流(liú)速及(jí)常規(guī)渦(wō)街(jiē)流量計的測量(liàng)下限(xiàn)列于表2.在(zài)實驗(yàn)中,越靠近(jìn)發生體,旋(xuán)渦的(de)旋度強(qiáng)，測(cè)量的(de)靈敏度高(gāo)，不論是水還是空氣(qì),最小可測流量都(dōu)是随取壓位(wèi)置的後移而增(zēng)大.當測量水時,位置1的測(cè)量下(xià)限僅(jǐn)爲常規表(biǎo)的52%;當測量(liàng)空氣(qì)時,位(wèi)置1的(de)測量下限爲常規表(biǎo)的75%,因(yīn)此采用管(guǎn)壁差(chà)壓法能有效地降低(dī)渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)測量(liàng)下限(xiàn),将(jiāng)取壓位置适當(dāng)靠(kào)近發(fā)生體(tǐ)能進(jìn)一步(bù)降(jiàng)低測(cè)量下限(xiàn).
 
引壓(yā)管的(de)影響(xiǎng)
4.1引壓(yā)管動态特性的數學模型
　　根據流體阻抗法的集中參數(shù)模型,若差壓傳(chuán)感器(qì)兩根引壓(yā)管的平均(jun1)長度(dù)爲Ɩ0,平(píng)均導納爲yƖ0,輸入的管壁正(zhèng)弦脈動壓力差△pi=pil-pi2,則傳至差(chà)壓傳(chuán)感器的(de)差壓爲(wèi)
 
　　式中(zhōng):f=√zy爲引(yǐn)壓管(guǎn)單(dān)位長度的傳(chuán)播常數;z和y分别爲單(dān)位長(zhǎng)度的(de)串聯阻抗和并(bìng)聯導納;zc=√z/y爲管路的(de)特(tè)性阻(zǔ)抗;δ爲(wèi)差壓測量的絕(jué)對誤差(chà);k。爲(wèi)壓力(lì)脈動(dòng)影響系數(shù).
　　在兩段引壓管(guǎn)長度較短且相(xiàng)差不(bú)大,差(chà)壓(yā)傳感器(qì)壓力(lì)腔室(shì)很小的條(tiáo)件下(xià),當輸(shū)人差壓脈(mò)動頻率ƒ低(dī)于引壓管的基本(běn)頻(pín)率ƒ。的(de)1/2時，kp<0.03,δ值較小(xiǎo);當ƒ>0.5ƒ。時(shí),kp随(suí)ƒ的增.加而顯著上升,δ值(zhí)較大(dà).
4.2管(guǎn)壁差壓(yā)平均幅(fú)值的測(cè)最偏差與(yǔ)讨論(lùn)
管壁差(chà)壓(yā)平均(jun1)幅值(zhí)`pmax定義(yì)爲
 
　　式中:pmax.pmin,;分别爲第i個旋渦周(zhōu)期内(nèi)管(guǎn)壁差(chà)壓的(de)最大(dà)值和(hé)最(zuì)小值;n爲(wèi)檢測(cè)的總周期數. `pmx值(zhí)反映了旋(xuán)渦強度的大小(xiǎo),應随流量的增(zēng)加而(ér)增大.實驗(yàn)`pmx與qv的(de)關系如圖(tú)4所示,當圖4(a)中給(gěi)出的是流動介(jiè)質爲水時(shí),從3對(duì)不同(tóng)取(qǔ)壓(yā)位置(zhì)測量(liàng)的`pmx随qv的分(fèn)布情(qíng)況,可見3條(tiáo)曲線(xiàn)均(jun1)随(suí)qv的增(zēng)加而(ér)單(dān)調遞增(zēng),較好(hǎo)地符合了(le)理論(lùn)預測;圖4(b)中(zhōng)所示的是(shì)流動(dòng)介質(zhì)爲空氣時(shí)的情況,3條(tiáo)曲線的形(xíng)狀(zhuàng)相似,當(dāng)qv<83m3/h,`pmx随流(liú)量的(de)增加而增大,在qv=83m3/h附近(jìn)取得極大(dà)值,當(dāng)qv>83m3/h,`pmx不再随流量的(de)增加而(ér)增(zēng)大,而(ér)是急(jí)劇下(xià)降直(zhí)至qv>120m3/h後逐漸平緩(huǎn)遞增.
　　當流量qv=83m3/h時(shí)，旋渦頻率(lǜ)ƒ=213hz,k=2.5680hz·h/m;引壓(yā)管的長(zhǎng)度Ɩ=0.20m,其固(gù)有頻(pín)率ƒ0=c/(4Ɩ)=425hz,c爲引壓(yā)管中介質的聲(shēng)速，則ƒ=0.5ƒ0..當qv>83m3/h,ƒ>0.5ƒ0,kp随ƒ的增(zēng)加而顯(xiǎn)著(zhe)上升(shēng),差壓測(cè)量的絕(jué)對誤(wù)差δ值增大(dà).因此較低的引(yǐn)壓管(guǎn)固有頻率(lǜ)阻礙了測(cè)壓系(xì)統對動态管壁差壓(yā)的響應,從而造(zào)成較大的(de)測量誤(wù)差,與理論關系(xì)不(bú)符.爲(wèi)了克服或減小引壓管對(duì)測量的影響,應(yīng)盡量縮短引壓管的(de)長.度(dù).但是(shì)管壁(bì)差壓(yā)幅(fú)值的誤(wù)差并(bìng)沒有影響頻率(lǜ)的測量,對(duì)st和k的影響甚小(xiǎo),也即流(liú)量的測(cè)量幾(jǐ)乎不(bú)會受影響(xiǎng),說(shuō)明管壁(bì)差壓法的強适(shì)應性和穩定性(xìng).
 
5結論
(1)在發生體(tǐ)下遊的(de)一定距離内(nèi),取壓位置(zhì)對(duì)管壁(bì)差壓式(shì)渦街流量(liàng)計的(de)斯特勞(láo)哈(hā)爾數(shù)和儀表(biǎo)系(xì)數的(de)影響(xiǎng)很(hěn)小;
(2)管壁差壓式渦街流(liú)量計(jì)的測量下(xià)限随(suí)取壓(yā)位置(zhì)的不(bú)同(tóng)而顯著(zhe)變化，在旋(xuán)渦發(fā)生(shēng)體(tǐ)後的一定(dìng)範圍内,較靠(kào)近(jìn)發生(shēng)體迎流面(miàn)的地方測得的最小流速低于遠離迎流(liú)面的地方(fāng);
(3)引(yǐn)壓管(guǎn)的(de)響應頻率(lǜ)對管(guǎn)壁差(chà)壓式渦街(jiē)流量計的(de)測量有着重要的影(yǐng)響,爲(wèi)了保(bǎo)證準(zhǔn)确測(cè)量,應(yīng)盡量縮短引(yǐn)壓管的長度,并且保證(zhèng)引壓管固有頻(pín)率與(yǔ)渦街(jiē)頻率(lǜ)相差較大(dà).
　　由于(yú)工業現場的流(liú)動狀(zhuàng)态(tài)複(fú)雜,因此進(jìn)一步工作(zuò)将圍繞着該(gāi)方(fāng)法在(zài)旋轉流、脈(mò)動流等惡劣工況下的性能展(zhǎn)開(kāi).

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