數顯壓縮空氣流量計在不同流速時測量問題的分析研究
點擊次數：1381 發布時間：2021-01-08 05:09:46
本文概述：
目前工業生產中流量計的種類類別非常多，基于不同的測量原理進行工作，力學原理、熱學原理、電學原理及光學原理等。
數顯壓縮空氣流量計是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用于工業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質。特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。數顯壓縮空氣流量計采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器。
數顯壓縮空氣流量計在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面，有很大的優勢，是目前氣體和低粘度液體的最佳選擇之一。但是數顯壓縮空氣流量計在某些方面具有技術難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，數顯壓縮空氣流量計檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、數顯壓縮空氣流量計的優缺點
數顯壓縮空氣流量計在諸多應用方面都優于傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，數顯壓縮空氣流量計的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數長期不變。但是數顯壓縮空氣流量計在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于數顯壓縮空氣流量計的原始信號為頻率信號，致使數顯壓縮空氣流量計實際為一種數字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微弱，極易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于數顯壓縮空氣流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結構。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、數顯壓縮空氣流量計工作原理與結構
2.1數顯壓縮空氣流量計的工作原理在日常生活中經常能看到渦街現象，比如風中的旗幟，由于旗桿產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的破壞力。數顯壓縮空氣流量計就是參考日常生活中渦街現象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發生體）。當流體流過時，在渦街發生體后兩側產生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比?？捎孟率奖硎荆篎=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發生體的流體的平均速度；d 為渦街發生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數（Strouhal number），數值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過測量漩渦的頻率就可以計算出流過渦街發生體的流體平均速度 v，再由下式 ：Q=vA 可以求出流量 q。其中，A 為流體流過渦街發生體的截面積。
2.2數顯壓縮空氣流量計的結構 數顯壓縮空氣流量計的基本結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包含渦街發生體、檢測元件等；轉換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋最好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了，把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于數顯壓縮空氣流量計的原理，流量信號的強度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備極高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數千倍，由此導致數顯壓縮空氣流量計對于蒸汽管道的振動極為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是數顯壓縮空氣流量計在實際應用中最大的問題。數顯壓縮空氣流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大電路和觸發裝置，將漩渦頻率最終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數 A 和觸發器的門限電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發器輸入的有效信號 u 遠大于噪聲信號。因此，數顯壓縮空氣流量計正常工作的必要條件是：E > u > V。當數顯壓縮空氣流量計測量低流速、小流量流體的時候，依據上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機械振動產生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結構形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的辦法是在漩渦發生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機械振動產生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以干擾產生的信號通過差動放大后，機械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是，大大降低了機械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高于 80m/s 的高流速，其中有近一半的出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達 180m/s。一般的數顯壓縮空氣流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現象，出現難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻譜分析＋動態濾波，改善信號波動，消除“漏波”現象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成分的大小，比時域圖像提供更具體更豐富的頻域圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。在測試測量中，往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素，通過對數顯壓縮空氣流量計傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由于數顯壓縮空氣流量計容易與數字電子設備配套使用，所是一種比較先進、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，當小流量、低流速或大流量、高流速的時候，對數顯壓縮空氣流量計提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應的探討。為了使數顯壓縮空氣流量計盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低機械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題，采用頻譜分析和動態濾波的方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。
目前工業生產中流量計的種類類別非常多，基于不同的測量原理進行工作，力學原理、熱學原理、電學原理及光學原理等。
數顯壓縮空氣流量計是種采用卡門（Karman）渦街原理研究生產的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用于工業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質。特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。數顯壓縮空氣流量計采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器。
數顯壓縮空氣流量計在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面，有很大的優勢，是目前氣體和低粘度液體的最佳選擇之一。但是數顯壓縮空氣流量計在某些方面具有技術難點需要克服。
本文主要探討在小流量低流速和大流量高流速的情況下，數顯壓縮空氣流量計檢測時的一些限制問題，提出了一些解決方案及實施效果。
1、數顯壓縮空氣流量計的優缺點
數顯壓縮空氣流量計在諸多應用方面都優于傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，數顯壓縮空氣流量計的靜密封點只有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度、壓力還有密度等影響，流量系數長期不變。但是數顯壓縮空氣流量計在使用的時候，也存在一些問題。
1）由于數顯壓縮空氣流量計的原始信號為頻率信號，致使數顯壓縮空氣流量計實際為一種數字式儀表。它只要能正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，流量減小時，渦街信號以 2 階關系急劇減弱，而氣體的渦街信號遠低于液體。在用于氣體流量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微弱，極易湮沒在干擾之中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于數顯壓縮空氣流量計傳感器必須敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直接限制了傳感器的結構。針對以上一些問題，下面將做部分探討。
2、數顯壓縮空氣流量計工作原理與結構
2.1數顯壓縮空氣流量計的工作原理在日常生活中經常能看到渦街現象，比如風中的旗幟，由于旗桿產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越快－－擺動頻率與風速呈正比。還有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的破壞力。數顯壓縮空氣流量計就是參考日常生活中渦街現象的原理，在管道中插入合適大小和形狀的柱體（即渦街發生體）。當流體流過時，在渦街發生體后兩側產生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比?？捎孟率奖硎荆篎=stv/d式（1）中：f 為漩渦的頻率；v 為流過渦街發生體的流體的平均速度；d 為渦街發生體的流面寬度；St 為斯特勞哈爾數（Strouhal number），數值的范圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過測量漩渦的頻率就可以計算出流過渦街發生體的流體平均速度 v，再由下式 ：Q=vA 可以求出流量 q。其中，A 為流體流過渦街發生體的截面積。
2.2數顯壓縮空氣流量計的結構 數顯壓縮空氣流量計的基本結構為傳感器和轉換器 2 大部分。傳感器包含渦街發生體、檢測元件等；轉換器包含有放大電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋最好的是三角柱型的渦街發生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了，把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量可直接在管道上安裝、互換性強、體積小、長期運行精度高，可適用于大多數液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量、低流速測量的限制問題基于數顯壓縮空氣流量計的原理，流量信號的強度與流量的平方成正比，即流速降低時，渦街信號將以平方關系急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備極高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量信號放大數千倍，由此導致數顯壓縮空氣流量計對于蒸汽管道的振動極為敏感，無流量時指示的實際為振動干擾信號，這是數顯壓縮空氣流量計在實際應用中最大的問題。數顯壓縮空氣流量計的檢測部件利用壓電晶片來檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大電路和觸發裝置，將漩渦頻率最終變成儀器所能顯示的脈沖信號。此脈沖信號再次送入轉換儀表裝置換算成可顯示的被測流量。其中，放大器的放大倍數 A 和觸發器的門限電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示。圖 3 中輸入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改變 A 或者 U 的效果是相同的。
如圖 4 所示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發器輸入的有效信號 u 遠大于噪聲信號。因此，數顯壓縮空氣流量計正常工作的必要條件是：E > u > V。當數顯壓縮空氣流量計測量低流速、小流量流體的時候，依據上述分析必須提高信噪比，盡量提高輸入流量的有效信號，降低機械振動產生的干擾信號的幅值。因此，可以修正阻流體的結構形狀，使傳感器能更好地接收漩渦的脈動頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的辦法是在漩渦發生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體，采用差動式的壓電傳感器感知信號，并利用差動放大電路來放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機械振動產生的干擾對 2 塊壓電晶體的作用力是一致的，并且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以干擾產生的信號通過差動放大后，機械振動信號因為相同而相互抵消削減，而塊壓電晶體相反的流量信號相加后增強。于是，大大降低了機械振動信號的干擾。
4、大流量、高流速測量的限制問題通常認為，管道里的蒸汽流速不會超過 60m/s，在選擇流量計時，量程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高于 80m/s 的高流速，其中有近一半的出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達 180m/s。一般的數顯壓縮空氣流量計在流速過高時，因劇烈的漏波現象，出現難以估算的誤差，所以也難于判斷超高流速的大小。
如圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻譜分析＋動態濾波，改善信號波動，消除“漏波”現象。信號可以從時域分析，也可以從頻域分析。時域的信號圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫軸。信號的時域分析主要側重于信號的直觀印象，例如信號的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅里葉變換，將 X（t）變換成 X（f）。具體的變換方法在這里不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成分的大小，比時域圖像提供更具體更豐富的頻域圖像。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法。信號的濾波主要是獲得自己想要的信號，并且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。在測試測量中，往往需要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素，通過對數顯壓縮空氣流量計傳感器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由于數顯壓縮空氣流量計容易與數字電子設備配套使用，所是一種比較先進、理想的測量儀器。漩渦升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正比。因此，當小流量、低流速或大流量、高流速的時候，對數顯壓縮空氣流量計提出了比較高的要求。針對這個問題，本文做了相應的探討。為了使數顯壓縮空氣流量計盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低機械振動干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現象的問題，采用頻譜分析和動態濾波的方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 7（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 7（b）為展開的視圖。圖 8 為處理后流量計輸出的傳感器信號和放大器輸出信號。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸出信號；
圖 8（b）為展開的視圖。