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过热蒸汽计量表在不同流速时测量表现及流量限制问题的分析研究

目前工业生产中流量计的种类类别非常多,基于不同的测量原理进行工作,力学原理、热学原理、电学原理及光学原理等。
过热蒸汽计量表是种采用卡门(Karman)涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸汽等多种介质。特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件,因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。过热蒸汽计量表采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃~+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的测量仪器。
过热蒸汽计量表在固有原理、结构、安装维护、运行费用和能耗等方面,有很大的优势,是目前气体和低粘度液体的最佳选择之一。但是过热蒸汽计量表在某些方面具有技术难点需要克服。
本文主要探讨在小流量低流速和大流量高流速的情况下,过热蒸汽计量表检测时的一些限制问题,提出了一些解决方案及实施效果。
1、过热蒸汽计量表的优缺点
过热蒸汽计量表在诸多应用方面都优于传统的孔板流量计。比如,孔板流量计 1 个测量回路静密封点为 20 个左右。相比而言,过热蒸汽计量表的静密封点只有 3 个,不容易泄漏 ,它不受流体温度、压力还有密度等影响,流量系数长期不变。但是过热蒸汽计量表在使用的时候,也存在一些问题。
1)由于过热蒸汽计量表的原始信号为频率信号,致使过热蒸汽计量表实际为一种数字式仪表。它只要能正常工作,精度一定有保证。但是一旦不能正常工作,产生的测量误差将非常大,甚至连流量的变化趋势都不能指示,彻底不能工作。
2)漩涡升力与流量的平方呈正比、与流体的密度呈正比。因此,流量减小时,涡街信号以 2 阶关系急剧减弱,而气体的涡街信号远低于液体。在用于气体流量检测时,因低密度、低流速导致涡街信号微弱,极易湮没在干扰之中,流量计无法正确识别出漩涡,致使测量失败。
3)由于过热蒸汽计量表传感器必须敏感检测小流量时微小的涡街升力,直接限制了传感器的结构。针对以上一些问题,下面将做部分探讨。
2、过热蒸汽计量表工作原理与结构
2.1过热蒸汽计量表的工作原理在日常生活中经常能看到涡街现象,比如风中的旗帜,由于旗杆产生的涡街而摆动,风越大,旗帜摆动越快--摆动频率与风速呈正比。还有桥墩、烟囱、高楼的设计均需考虑涡街的破坏力。过热蒸汽计量表就是参考日常生活中涡街现象的原理,在管道中插入合适大小和形状的柱体(即涡街发生体)。当流体流过时,在涡街发生体后两侧产生交替排列的漩涡,这种漩涡被称为卡门漩涡。漩涡的频率与流量呈正比。可用下式表示:F=stv/d式(1)中:f 为漩涡的频率;v 为流过涡街发生体的流体的平均速度;d 为涡街发生体的流面宽度;St 为斯特劳哈尔数(Strouhal number),数值的范围为 0.14 ~ 0.27。测量时,一般假定 St=0.2。由此,通过测量漩涡的频率就可以计算出流过涡街发生体的流体平均速度 v,再由下式 :Q=vA  可以求出流量 q。其中,A 为流体流过涡街发生体的截面积。
2.2过热蒸汽计量表的结构 过热蒸汽计量表的基本结构为传感器和转换器 2 大部分。传感器包含涡街发生体、检测元件等;转换器包含有放大电路、滤波整形电路以及 D/A 转换电路等;涡街发生体常见的有圆柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用较多,反馈最好的是三角柱型的涡街发生体。检测元件有压电晶片、热敏电阻、超声波和应变片差动电容等。转换器部分基本都智能化了,把微处理器芯片都安装其中。涡街流量可直接在管道上安装、互换性强、体积小、长期运行精度高,可适用于大多数液体、蒸汽和气体的测量。
3、小流量、低流速测量的限制问题基于过热蒸汽计量表的原理,流量信号的强度与流量的平方成正比,即流速降低时,涡街信号将以平方关系急剧下降。

图 2 显示流量由零增大时,涡街信号的波形记录。在相同条件之下,1m/s 流速的气体产生的漩涡力仅是 5m/s 流速时的 1/25。为保证小流量的检测,必须具备极高的漩涡振动检测灵敏度,将流量信号放大数千倍,由此导致过热蒸汽计量表对于蒸汽管道的振动极为敏感,无流量时指示的实际为振动干扰信号,这是过热蒸汽计量表在实际应用中最大的问题。过热蒸汽计量表的检测部件利用压电晶片来检测漩涡的频率 f,由此得到电压信号。此电压信号需要经过放大电路和触发装置,将漩涡频率最终变成仪器所能显示的脉冲信号。此脉冲信号再次送入转换仪表装置换算成可显示的被测流量。其中,放大器的放大倍数 A 和触发器的门限电压均可以进行调整。

如图 3 所示。图 3 中输入信号电压为 E,噪声信号转换到电压输入端为 V, 门限电压 U 通过放大器输出为 u, 放大器的放大倍数为 A。因 u=AU,所以改变 A 或者 U 的效果是相同的。
如图 4 所示。要使得触发器的输出信号为有效信号,必须使得触发器输入的有效信号 u 远大于噪声信号。因此,过热蒸汽计量表正常工作的必要条件是:E > u > V。当过热蒸汽计量表测量低流速、小流量流体的时候,依据上述分析必须提高信噪比,尽量提高输入流量的有效信号,降低机械振动产生的干扰信号的幅值。因此,可以修正阻流体的结构形状,使传感器能更好地接收漩涡的脉动频率,这样可以大幅度提高有效信号的幅值。另一种更实际有效的办法是在漩涡发生体的两端分别安装 1 对对称的压电晶体,采用差动式的压电传感器感知信号,并利用差动放大电路来放大信号,如图 4 所示。
由于电路中机械振动产生的干扰对 2 块压电晶体的作用力是一致的,并且流体漩涡在阻流体两侧是交替产生的,所以干扰产生的信号通过差动放大后,机械振动信号因为相同而相互抵消削减,而块压电晶体相反的流量信号相加后增强。于是,大大降低了机械振动信号的干扰。

4、大流量、高流速测量的限制问题通常认为,管道里的蒸汽流速不会超过 60m/s,在选择流量计时,量程达到 60m/s 就已足够,而采用在线实时频谱分析时发现:�80 及其以下的管线,经常出现高于 80m/s 的高流速,其中有近一半的出现超过 100m/s 的高流速,更有甚者,流速高达 180m/s。一般的过热蒸汽计量表在流速过高时,因剧烈的漏波现象,出现难以估算的误差,所以也难于判断超高流速的大小。
如图 5 所示,漏波现象使流量偏小 44.3%。针对这一现象,采用频谱分析+动态滤波,改善信号波动,消除“漏波”现象。信号可以从时域分析,也可以从频域分析。时域的信号图像,是以时间轴为横轴;频域的信号图像,是以频率值作为横轴。信号的时域分析主要侧重于信号的直观印象,例如信号的周期,信号在某一时间点的幅值等。信号的频域分析,是采用傅里叶变换,将 X(t)变换成 X(f)。具体的变换方法在这里不再赘述。信号的频谱图表明了信号在不同频率分量成分的大小,比时域图像提供更具体更丰富的频域图像。在 Pico Scope 示波器中,可以利用其频谱分析的功能来观察信号的频谱。信号的滤波处理通常是信号处理中常用的方法。信号的滤波主要是获得自己想要的信号,并且过滤掉不符合实验要求的信号。通常有低通、高通、带通、带阻这几种方式。实际应用中,通常是设计滤波电路对电路进行滤波。在测试测量中,往往需要的是滤掉信号中的杂波。尽可能排除影响因素,通过对过热蒸汽计量表传感器原始信号直接进行实时频谱分析,得出超高流速时的流量值。
如图 6 所示。

5、结束语
由于过热蒸汽计量表容易与数字电子设备配套使用,所是一种比较先进、理想的测量仪器。漩涡升力与流量的平方呈正比、与流体的密度呈正比。因此,当小流量、低流速或大流量、高流速的时候,对过热蒸汽计量表提出了比较高的要求。针对这个问题,本文做了相应的探讨。为了使过热蒸汽计量表尽可能测量低流速、小流量,必须提高信噪比,采用差动压电传感器和差动放大电路,尽量提高有效流量信号的幅值而降低机械振动干扰信号的幅值。针对高流速、大流量产生漏波现象的问题,采用频谱分析和动态滤波的方法,尽量减少漏波现象。
图 7 为未处理时流量计输出的传感器信号和放大器输出信号。图 7(a)上部为传感器输出的原始信号,下部为放大器输出信号;
图 7(b)为展开的视图。图 8 为处理后流量计输出的传感器信号和放大器输出信号。图 8(a)上部为传感器输出的原始信号,下部为放大器输出信号;
图 8(b)为展开的视图。

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