氫氣流量計選型在不同流速時(shí)測量表現及流量限制問(wèn)題的分析

目前工業(yè)生產(chǎn)中流量計的種類(lèi)類(lèi)別非常多，基于不同的測量原理進(jìn)行工作，力學(xué)原理、熱學(xué)原理、電學(xué)原理及光學(xué)原理等。
氫氣流量計選型是種采用卡門(mén)（Karman）渦街原理研究生產(chǎn)的測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計。主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無(wú)可動(dòng)機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長(cháng)期穩定。氫氣流量計選型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(jìn)、理想的測量?jì)x器。
氫氣流量計選型在固有原理、結構、安裝維護、運行費用和能耗等方面，有很大的優(yōu)勢，是目前氣體和低粘度液體的最佳選擇之一。但是氫氣流量計選型在某些方面具有技術(shù)難點(diǎn)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，氫氣流量計選型檢測時(shí)的一些限制問(wèn)題，提出了一些解決方案及實(shí)施效果。
1、氫氣流量計選型的優(yōu)缺點(diǎn)
氫氣流量計選型在諸多應用方面都優(yōu)于傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計 1 個(gè)測量回路靜密封點(diǎn)為 20 個(gè)左右。相比而言，氫氣流量計選型的靜密封點(diǎn)只有 3 個(gè)，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(cháng)期不變。但是氫氣流量計選型在使用的時(shí)候，也存在一些問(wèn)題。
1）由于氫氣流量計選型的原始信號為頻率信號，致使氫氣流量計選型實(shí)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(chǎn)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(shí)，渦街信號以 2 階關(guān)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(shí)，因低密度、低流速導致渦街信號微弱，極易湮沒(méi)在干擾之中，流量計無(wú)法正確識別出漩渦，致使測量失敗。
3）由于氫氣流量計選型傳感器必須敏感檢測小流量時(shí)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(wèn)題，下面將做部分探討。
2、氫氣流量計選型工作原理與結構
2.1氫氣流量計選型的工作原理在日常生活中經(jīng)常能看到渦街現象，比如風(fēng)中的旗幟，由于旗桿產(chǎn)生的渦街而擺動(dòng)，風(fēng)越大，旗幟擺動(dòng)越快－－擺動(dòng)頻率與風(fēng)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。氫氣流量計選型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(fā)生體）。當流體流過(guò)時(shí)，在渦街發(fā)生體后兩側產(chǎn)生交替排列的漩渦，這種漩渦被稱(chēng)為卡門(mén)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(guò)渦街發(fā)生體的流體的平均速度；d 為渦街發(fā)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(shí)，一般假定 St=0.2。由此，通過(guò)測量漩渦的頻率就可以計算出流過(guò)渦街發(fā)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(guò)渦街發(fā)生體的截面積。
2.2氫氣流量計選型的結構 氫氣流量計選型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(fā)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(fā)生體常見(jiàn)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(fā)生體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波和應變片差動(dòng)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(cháng)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(wèn)題基于氫氣流量計選型的原理，流量信號的強度與流量的平方成正比，即流速降低時(shí)，渦街信號將以平方關(guān)系急劇下降。

圖 2 顯示流量由零增大時(shí)，渦街信號的波形記錄。在相同條件之下，1m/s 流速的氣體產(chǎn)生的漩渦力僅是 5m/s 流速時(shí)的 1/25。為保證小流量的檢測，必須具備極高的漩渦振動(dòng)檢測靈敏度，將流量信號放大數千倍，由此導致氫氣流量計選型對于蒸汽管道的振動(dòng)極為敏感，無(wú)流量時(shí)指示的實(shí)際為振動(dòng)干擾信號，這是氫氣流量計選型在實(shí)際應用中最大的問(wèn)題。氫氣流量計選型的檢測部件利用壓電晶片來(lái)檢測漩渦的頻率 f，由此得到電壓信號。此電壓信號需要經(jīng)過(guò)放大電路和觸發(fā)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(fā)器的門(mén)限電壓均可以進(jìn)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(mén)限電壓 U 通過(guò)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(fā)器的輸出信號為有效信號，必須使得觸發(fā)器輸入的有效信號 u 遠大于噪聲信號。因此，氫氣流量計選型正常工作的必要條件是：E > u > V。當氫氣流量計選型測量低流速、小流量流體的時(shí)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(dòng)產(chǎn)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(dòng)頻率，這樣可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實(shí)際有效的辦法是在漩渦發(fā)生體的兩端分別安裝 1 對對稱(chēng)的壓電晶體，采用差動(dòng)式的壓電傳感器感知信號，并利用差動(dòng)放大電路來(lái)放大信號，如圖 4 所示。
由于電路中機械振動(dòng)產(chǎn)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(chǎn)生的，所以干擾產(chǎn)生的信號通過(guò)差動(dòng)放大后，機械振動(dòng)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(dòng)信號的干擾。

4、大流量、高流速測量的限制問(wèn)題通常認為，管道里的蒸汽流速不會(huì )超過(guò) 60m/s，在選擇流量計時(shí)，量程達到 60m/s 就已足夠，而采用在線(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析時(shí)發(fā)現：?80 及其以下的管線(xiàn)，經(jīng)常出現高于 80m/s 的高流速，其中有近一半的出現超過(guò) 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高達 180m/s。一般的氫氣流量計選型在流速過(guò)高時(shí)，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(dòng)態(tài)濾波，改善信號波動(dòng)，消除“漏波”現象。信號可以從時(shí)域分析，也可以從頻域分析。時(shí)域的信號圖像，是以時(shí)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(shí)域分析主要側重于信號的直觀(guān)印象，例如信號的周期，信號在某一時(shí)間點(diǎn)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(shí)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(lái)觀(guān)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(guò)濾掉不符合實(shí)驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實(shí)際應用中，通常是設計濾波電路對電路進(jìn)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(guò)對氫氣流量計選型傳感器原始信號直接進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析，得出超高流速時(shí)的流量值。
如圖 6 所示。

5、結束語(yǔ)
由于氫氣流量計選型容易與數字電子設備配套使用，所是一種比較先進(jìn)、理想的測量?jì)x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(shí)候，對氫氣流量計選型提出了比較高的要求。針對這個(gè)問(wèn)題，本文做了相應的探討。為了使氫氣流量計選型盡可能測量低流速、小流量，必須提高信噪比，采用差動(dòng)壓電傳感器和差動(dòng)放大電路，盡量提高有效流量信號的幅值而降低機械振動(dòng)干擾信號的幅值。針對高流速、大流量產(chǎn)生漏波現象的問(wèn)題，采用頻譜分析和動(dòng)態(tài)濾波的方法，盡量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時(shí)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(kāi)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(kāi)的視圖。

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