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管道振動對渦街流量計測量影響
发布时间:2021-2-22 08:30:31

摘要:爲研究管道振動對渦街流量計测量的影响,以国内普遍使用的应力式渦街流量計为研究对象.在气体流量管道振动试验装置上,流量范围35m'/h~145m/h内,分别在不同管道振动加速度(0.05g.0.Ig.0.2g.0.5g、1g)、频率(40Hz、100Hz、200Hz)、垂直和水平方向上进行了一系列管道振动试验。通过对不同管道振动情况下的渦街流量計仪表系数误差分析发现,涡街仪表系数误差随管道振动加速度的增加而变大,抗振性能较差;相同振动加速度下,仪表系数误差随流量增大有减小趋势,小流量下对管道振动尤为敏感;同一振动加速度下,仪表系数误差随管道振动频率增大而减小;水平方向管道振动较之垂直方向仪表系数误差更小,抗振性能更好。
  渦街流量計是一种基于流体振动原理的流量计。目前已成为管道中液体、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1-2:o但是,渦街流量計本质上是流体振动型流量计,它对机械振动、流体的流动状态特别敏感,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到的其他力,如管道振动、流体脉动以及流体的冲击力等3--4],这些干扰势必会对渦街流量計的测量产生很大的影响。
  本文以国内应用最为广泛的应力式渦街流量計为研究对象,在气体流量管道振动试验装置上,相同流量范围内进行了不同振动加速度的管道振动试验。拟定涡街仪表系数误差(除流量下限外)小于3%作为渦街流量計抗管道振动的标准,研究了应力式渦街流量計在管道振动条件下的抗振性能,并分析了不同管道振动频率、振动方向对渦街流量計测量的影响,试验结果对应力式渦街流量計具有普遍意义。
1試驗裝置
  圖1爲氣體流量管道振動試驗裝置結構圖。爲避免氣體壓力波動,1先將大氣中的空氣壓縮打人2中,經3冷卻除濕後,得到的純淨氣體先後流經4、5.7.10後,通向大氣。流量校准采用標准表法,即由標准渦輪流量計测得的流量、表前压力以及被测渦街流量計的表前压力,即可换算得到被测渦街流量計常压下的体积流量(管路中气体温度变化很小忽略不计)。研究对象10选用国内普遍使用的应力式渦街流量計,内径为50mm,流量范围36m3/h~320m3/h;标准表渦輪流量計精度爲1%,內徑50mm,流量範圍5m3/h~100m3/h;壓力變送器精度均爲2%0。

  管道振动试验设备由11、12组成,实物见图2。11为激振设备由振动台体和控制器组成,具有调频(1Hz~400Hz)定加速度(<20g)/振幅、输出正弦类波形等功能,从而使不同加速度和频率下的振动试验得以实现。12为测振设备采用压电式加速度传感器准确测量渦街流量計所在处管道振动状态。由于振动台为单自由度,仅能产生垂直方向(图1中Y方向)管道振动,为了实现水平方向(X方向)管道振动,将渦街流量計旋转90°水平安装[如图2(b)],此时,振动台再工作时其振动方向相对于渦街流量計即实现了如图1所示的X方向。当管道振动时为避免对标准表产生影响,在渦街流量計上游2.5m(50D)处加装软管消除机械振动。
  整套试验装置由计算机系统实时控制处理,对气.动调节阀采用PID调节确保流量稳定,对涡街、渦輪流量計以及压力变送器的输出信号均由计算机系统进行采集及数据分析。

2試驗結果與分析
  在图1試驗裝置上,流量35m3/h~145m'/h(装置所能达到的常压下的最大流量)内,分别在未施加和施加振动施加不同振动加速度频率、方向的情况下,对渦街流量計进行了管道振动试验,对试验结果予以分析。
2.1未施加管道振動的試驗
  在无管道振动情况下,对渦街流量計进行了5点实流试验,数据如表1。每个流量点每次检定时间为30s,重复性、平均仪表系数和线性度均按照速度式流量计检定规程[12]中的公式计算。试验研究的应力式渦街流量計精度爲1級。

2.2不同管道振動加速度的試驗
  为考察应力式渦街流量計对管道振动加速度的抗振性能,在垂直振动方向、振动频率为100Hz、振动加速度0.05g~1g情况下,进行了流量试验。将得到的5组试验数据,绘制出相应的仪表系数随流量变化曲线如图3所示?杉,当施加管道振动后,渦街流量計仪表系数随流量及振动加速度的不同变化很大。为了与无管道振动时作比较,图4给出了不同振动加速度下的仪表系数相对于无管道振动时平均仪表系数的误差曲线。

  由图4可知,-方面,同一振动加速度下不同流量点对渦街流量計测量影响的程度不同。小流量时受管道振动影响剧烈,输出脉冲即为管道振动频率,如图335m3/h处仪表系数集中在一点。随着流量增加,渦街流量計受管道振动影响根据振动加速度的不同可分为三种:(1)管道振动加速度为0.05g、0.1g、0.2g时,仪表系数误差随流量增加而减小直至为零;(2)管道振动加速度为0.5g时,仪表系数误差随流量增加先变大后减小但未减至零;(3)管道振动加速度为1g时,仪表系数误差随流量增加而变大最后趋于平稳。出现上述现象的原因在于,应力式渦街流量計是利用压电探头交替地作用在其上的升力的检测、获得涡街频率的,而升力与被测流体的密度和流速平方成正比。小流量时升力幅值小,易受管道振动干扰、有用信号被淹没,只能检测到振动信号,故仪表系数集中在一点。随着流量增加,升力幅值成平方倍增长,而管道振动加速度不变即振动幅值不变,故压电探头检测到的混合信号中涡街有用信号逐渐显露出来。当管道振动加速度为第(1)种情况时,涡街信号幅值随流量增加而迅速增强,最终抑制振动信号使仪表系数误差减小至零;当管道振动加速度为第(2)种情况时,由于振动信号幅值较强,涡街信号随流量增加虽然有大幅提升,但仍无法完全有效地抑制振动信号,仪表系数误差有减小但不能.减至零;但当管道振动加速度为第(3)种情况时,由于振动干扰幅值远大于涡街信号幅值,所以仪表系数误差很大,但是,涡街信号幅值随流量增加成平方倍增长仍会对管道振动信号起到一定抑制作用,所以仪表系数误差最后趋于平稳。
  另一方面,除流量下限外,相同流量下渦街流量計仪表系数误差随振动加速度的增加而增大,这是由于振动加速度的增加导致振动干扰幅值变大,对渦街流量計信号输出必然造成恶劣的影响。
  按照前文拟定的管道抗振标准,此应力式渦街流量計在管道振动频率为100Hz时,垂直方向抗振加速度仅为0.05g。
2.3不同管道振動頻率的試驗
  为了研究管道振动频率变化对渦街流量計测量的影响,将频率分别调整为40Hz、200Hz后,重新进行了2.2试验,得到了图5所示不同振动加速度下仪表系数误差变化曲线。
  将图4.5作对比发现,无论管道振动频率如何变化,在同一振动加速度下,仪表系数误差随流量变化的趋势类似。但是,当管道振动频率变化时,相同振动加速度下渦街流量計仪表系数误差会随管道振动频率增大而减小。这是因为,一-方面渦街流量計信号处理电路中含有放大和低通滤波环节,对40Hz振动干扰无法滤除且有放大功能。另一方面,由于渦街流量計输出脉冲与流速成正比、检测旋涡的升力与流速平方和被测流体的密度成正比,所以在小流量时,涡街流量传感器信号频率低且幅值小,受低频的管道振动干扰影响严重,输出脉冲误差大;随着流量增加,涡街流量传感器信号频率变大且幅值增强,受低频的管道振动干扰影响减弱,输出脉冲也随之误差变小。

  综合图4、5可知,对于应力式渦街流量計来说,垂直方向上的抗振性能均较差。当管道振动频率为40Hz、100Hz时,抗管道振动加速度为0.05g;当管道振动频率为200Hz时,抗管道振动加速度为0.1g。
2.4不同管道振動方向的試驗
  为了比较不同方向管道振动对渦街流量計测量的影响,在水平方向管道振动条件下,重新进行试验,得到了管道振动频率分别为40Hz、100Hz、200Hz,振动加速度分别为0.05g.0.1g.0.2g0.5g、1g时,涡街仪表系数误差随流量变化的曲线,如图6所示。

  通过水平方向管道振动与垂直方向试验结果作比较,发现两种情况下,管道振动频率和振动加速度对仪表系数误差的影响趋势类似;但是,水方向较之垂直方向仪表系数误差更小,抗振性能更好。依据拟定的抗振标准,将此应力式渦街流量計在不同振动方向上,抗管道振动性能小结如表2。
应力式渦街流量計抗管道 振动性能小结图示
3結論
  为研究管道振动对渦街流量計测量的影响,利用气体流量管道振动试验装置,在相同流量范围内,分别在不同管道振动加速度频率方向上对应力式渦街流量計进行振动试验研究,得到以下结论:
(1)渦街流量計仪表系数误差随管道振动加速度的增加而变大,整体抗振性能较差,以管道振动频率100Hz为例,垂直方向抗振加速度为0.05g,水平方向抗振加速度为0.2g。
(2)在相同管道振动加速度条件下,无论振动频率如何变化,渦街流量計仪表系数误差随流量增大有减小趋势,小流量下受管道振动影响最大。
(3)在相同管道振动加速度条件下,渦街流量計仪表系数误差随管道振动频率的增大而减小。
(4)水平管道振动方向较之垂直方向,渦街流量計仪表系数误差更小,抗振性能更好。

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