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涡街流量计抗管道周期振动性能的试验研究

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涡街流量计抗管道周期振动性能的试验研究
点击次数: 发布时间:2017-11-02
摘要:为研究涡街流量计在管道周期振动情况下的抗振性能,对国内广泛应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,得出模拟涡街流量计的抗振加速度,并分析了此时涡街流量传感器输出信号的品质特征。最后,为与模拟涡街作比较,对凯铭生产的数字涡街流量计进行了相同的管道周期振动试验,研究了数字涡街的抗振性能,并发现振动倍频信号是导致仪表系数相对误差出现的主要原因。
1、引言
涡街流量计具有无可动部件、对流体物性变化不敏感、适用于多种介质、压力损失小、输出与流体流速成正比的脉冲信号等优点,广泛应用于计量和工业过程控制领域中。但是,涡街流量计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量产生很大影响。在流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流量计测量精度的影响;国内蒙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下涡街流量传感器输出信号的频率测量方法。Miau等还专门研究了冲击振动情况下对压电式涡街流量计输出的影响。而关于管道周期振动方面,文献很少,仅荷兰TNO-TPD流量中心对商用涡街流量计通过电流输出误差分析研究管道振动对测量产生的影响。可是管道周期振动现象普遍存在于工业现场(如压缩机、鼓风机、泵等动力设备引起的管道振动),而目前尚无有关涡街流量计抗管道周期振动的统一标准。
本文拟定涡街流量计仪表系数相对误差绝对值小于3%作为涡街流量计抗管道周期振动的标准,对国内广泛使用的应力式模拟涡街流量计进行了不同振动加速度的试验,研究其抗振性能,并分析了涡街信号品质特性,最后对凯铭公司的数字涡街流量计进行了相同的管道周期振动试验,分析其抗振性能。
2、试验装置
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,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4、5、7、10后,通向大气。流量校准采用涡轮标准表法,涡轮流量计内径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,由振动台体和控制器组成,具有调频(1~400Hz)、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周期振动试验得以实现。12为测振设备,采用压电式加速度传感器准确测量涡街流量计所在处管道振动状态。由于振动台为单自由度,仅能产生垂直方向即图1中Y方向管道振动,为了实现水平方向管道振动,将涡街流量计旋转90°安装如图2(b),此时,振动台工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,在涡街流量计上游2.5m处加装软管以消除机械振动。
3、模拟涡街流量计管道振动试验
3.1管道振动频率的选择管道的机械振动大多数是由空压机、离心泵所激励的,这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,对应的最大转速频率为50Hz。试验中选择40Hz来模拟工业现场的管道振动频率。
3.2抗振性能标准的拟定
涡街流量计的仪表系数是涡街流量计进行流量计量的一个重要参数,其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的抗振标准尚未出现,且试验中使用的气体涡街流量计精度为1.5级,本文拟定仪表系数相对误差绝对值小于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为被测对象,在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下,分别进行了无振动和施加管道周期振动的实流标定试验。管道振动方向为垂直方向和水平方向,加速度为0.05-0.5g。根据试验数据,绘制出不同管道振动加速度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。
由图3(a)可知,一方面,在相同的振动加速度下不同流速对涡街流量计测量影响的程度是不同的。低流速时受管道振动影响更加严重,涡街流量计输出脉冲频率即为管道振动频率,如振动加速度较大时,5m/s处相对误差集中在一点。随着流速的升高,涡街流量计受管道振动影响根据振动加速度的不同可分为以下三种情况:
(1)管道振动加速度为0.05g、0.1g时,仪表系数相对误差随流速的升高而减小,最终减小至零;
(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,最终减小至零;
(3)管道振动加速度为0.5g时,仪表系数相对误差随流速升高先增大后减小,但最终未减至零。
出现上述现象的原因在于:应力式涡街流量计是利用压电探头对交替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。低流速时升力幅值小,易受到管道振动的干扰,当振动加速度较大时,振动信号的幅值超过了涡街升力的幅值,有用信号完全被淹没。只能检测到管道振动信号,故仪表系数相对误差集中在一点。随着流速升高,作用在旋涡发生体上的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,涡街信号幅值随流速升高而迅速增强,最终能够抑制振动信号使误差减小至零。当管道振动加速度为(2)(3)情况时,在低流速下,检测到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出频率,得出的仪表系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,涡街信号幅度增大,信噪比提高,相对误差随之减小,而振动加速度为0.5g时振动相对较强,涡街信号幅值随流速升高虽有大幅提升,但仍无法完全抑制振动信号,仪表系数相对误差有所减小,但未减至零。
另一方面,除最低流速点外,相同流速下仪表系数相对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管道振动干扰的幅度变大,对涡街流量计脉冲输出造成更加恶劣的影响。
为了对比不同方向管道振动对涡街流量计测量的影响,将管道振动改为水平方向重新进行试验,得到图3(b)曲线。通过与图3(a)比较,发现两种情况下流速及振动加速度对仪表系数相对误差的影响趋势类似。依据先前拟定的抗振标准,应力式模拟
涡街流量计抗管道振动的性能较差,垂直方向抗振加速度为0.05g,水平方向抗振加速度小于0.05g。
3.4涡街信号品质分析
为了观测管道周期振动下涡街流量信号的特征,利用NI USB-6009数据采集卡对涡街正弦信号进行采样。以垂直方向管道振动加速度为0.1g为例,给出了不同流速下涡街信号的时频域图,如图4所示。由时域部分可知,管道振动下涡街流量传感器输出的信号为真实旋涡脱落信号和管道振动信号的合成信号。低流速(≤1lm/s)时,管道振动信号强、占主要成分,涡街信号叠加在其上;随着流速变大(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。由频域可知,振动信号成分较单一,呈尖峰状,幅值为定值,不随流速变化而变,除40Hz基频外还有2、3倍频出现;而涡街信号成分稍复杂,呈塔峰状,幅值随流速变大而迅速增强,频谱能量占总能量比重也随流速增加而变大。
为了定量地分析管道振动下涡街信号的质量,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为总能量减去Ps后的能量;f为频谱分析得到的涡街频率值。Sq为正或负,说明涡街频率带的能量大于或小于其它频带的能量。
图5给出了不同管道振动加速度下涡街信号品质随流速变化的情况。不论振动加速度如何变换,Sq的变化趋势都是随着流速的增加而变大,但Sq何时由负变正,则与振动加速度密切相关。相同流速下,管道振动加速度越大,Sq值越小,涡街信号品质越差。Sq小于零时,表明由振动引起的其他频带能量大于涡街频带能量,且Sq绝对值越大,涡街信号品质越差,涡街流量计的测量误差越大;Sq大于零时,表明涡街频率带的能量大于其它频带的能量,管道振动对涡街信号影响较小,且Sq值越大,涡街信号品质越好,涡街流量计的测量误差越小。这也与图3(a)得到的试验结果完全吻合。
4、数字涡街流量计管道振动试验结果
为了与应力式模拟涡街流量计抗振性能进行对比,本文还选用了凯铭公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增大时,仪表系数相对误差明显增大,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,采用了SSP技术的凯铭数字涡街已将管道振动信号基频40Hz滤除,而较大的相对误差是由于管道振动的倍频信号所引起的。同样,ABB数字涡街也出现了同凯铭涡街相类似的试验结果,且由振动倍频信号导致的相对误差更大。出现倍频信号的原因可以归结为两个方面:第一,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倍频信号;第二,管道的安装、连接过程中,螺丝的松动、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0.05g。
5、结论
(1)在相同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度的增加而增大。
(2)应力式模拟涡街流量计抗管道振动的性能较差,垂直方向抗振加速度为0.05g,水平方向抗振加速度小于0.05g。
(3)凯铭和ABB数字涡街流量计均能滤除管道振动基频信号,但对管道振动倍频信号无后续处理。导致管道振动加速度增加时仪表系数相对误差变大。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数字涡街抗垂直方向管道振动为0.1g、水平方向为0.05g。

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