發(fā)布時(shí)間：2020-04-29所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要水流量裝置的技術(shù)水平通常由所采用的水泵和閥門質(zhì)量、穩(wěn)流或穩(wěn)壓方法以及管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來決定，并直接反映在流動(dòng)穩(wěn)定性這項(xiàng)關(guān)鍵參量之中。然而，現(xiàn)有的穩(wěn)定性測量方法很難區(qū)分實(shí)際的流量波動(dòng)和流量計(jì)的噪聲，并且測試結(jié)果易受流量計(jì)工作原理、采樣率及響
摘要水流量裝置的技術(shù)水平通常由所采用的水泵和閥門質(zhì)量、穩(wěn)流或穩(wěn)壓方法以及管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來決定，并直接反映在流動(dòng)穩(wěn)定性這項(xiàng)關(guān)鍵參量之中。然而，現(xiàn)有的穩(wěn)定性測量方法很難區(qū)分實(shí)際的流量波動(dòng)和流量計(jì)的噪聲，并且測試結(jié)果易受流量計(jì)工作原理、采樣率及響應(yīng)時(shí)間的影響。針對(duì)所有安裝流量計(jì)的測試結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，渦輪流量計(jì)具有最高的實(shí)際采樣率和最快的響應(yīng)時(shí)間，然而與壓力傳感器相比，渦輪流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間仍然慢約0.1s;渦輪流量計(jì)和科里奧利流量計(jì)的測量結(jié)果之間有著良好的相關(guān)性，表明該試驗(yàn)結(jié)果反映了設(shè)備的實(shí)際流量波動(dòng)。此外，使用兩種不同類型壓力傳感器的一大優(yōu)勢是能夠檢測高頻的流量波動(dòng)。
關(guān)鍵詞水流量裝置，流量穩(wěn)定性，渦輪流量計(jì)，電磁流量計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)
1.引言
在工業(yè)過程控制儀表行業(yè)中，流量計(jì)的發(fā)展非常迅速[1]，為了適應(yīng)各種用途和需求，各種類型的流量計(jì)不斷涌現(xiàn)，如典型的差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等[2][3]。針對(duì)流量穩(wěn)定性的測量一直以來都是流量測量領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，在使用流量計(jì)測量裝置穩(wěn)定性時(shí)，需要了解流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即了解流量計(jì)是否能快速地跟上瞬時(shí)流量的變化[4]。具體來說，動(dòng)態(tài)流量測量的特點(diǎn)是要求流量計(jì)對(duì)流量的變化具有良好的響應(yīng)特性，能夠較為準(zhǔn)確地反映出流量變化幅度，與測量的準(zhǔn)確度相比，更注重流量計(jì)在單次測量過程中的短期穩(wěn)定性，而對(duì)長期穩(wěn)定性要求不高[5][6][7]。
流量儀表在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段，為了獲得較好的測量準(zhǔn)確度和信號(hào)輸出效果，都會(huì)在處理原始信號(hào)時(shí)加入大量后處理算法，這樣做不僅會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，而且會(huì)濾掉部分有用的動(dòng)態(tài)信號(hào)，但廠家往往并不會(huì)針對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行說明。因此，為了確定裝置真實(shí)的流量穩(wěn)定性，采用實(shí)驗(yàn)的方法篩選出合適的穩(wěn)定性測試儀表就顯得至關(guān)重要。
2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法
2.1.實(shí)驗(yàn)裝置
流量穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)在德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-TechnischeBundesanstalt，簡稱PTB)的熱水標(biāo)準(zhǔn)裝置(縮寫為WZP)上進(jìn)行，該裝置以水為流動(dòng)介質(zhì)，主要用于測量或校準(zhǔn)DN80~DN400口徑范圍的流量傳感器其相對(duì)測量不確定度達(dá)到0.04%(k=2)，是公認(rèn)的世界上最先進(jìn)的水流量裝置之一。裝置的技術(shù)指標(biāo)見表1。
2.2.測試管段布置
WZP裝置擁有超過25m的測試管段，并允許串聯(lián)安裝多個(gè)測試設(shè)備，管道結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
如圖1所示，所有的儀表都安裝在DN80口徑的測試管道上，從左至右依次標(biāo)記為1~8。第一臺(tái)設(shè)備為LDA(1)，它被安裝在距離管道入口端4m(即50D)遠(yuǎn)處(2)，這樣就能避免入口處擾流引起的干擾;外夾式時(shí)差法超聲波流量計(jì)(3)和電磁流量計(jì)(4)都安裝在渦輪流量計(jì)的上游(7)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)中采用的激光多普勒測速系統(tǒng)而言，要求這種安裝方式不會(huì)對(duì)各流量儀表附近管路的流場分布產(chǎn)生影響;科里奧利質(zhì)量流量計(jì)安裝在所有測試設(shè)備的最下游(8)，這是因?yàn)橘|(zhì)量流量計(jì)對(duì)流場影響較不敏感，此外，由于實(shí)驗(yàn)用的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)為DN50口徑，因此還需要使用變徑管將該段測試管道從DN80口徑減小為DN50口徑。在隨后的實(shí)驗(yàn)過程中，還額外使用了一臺(tái)文丘里管流量計(jì)來進(jìn)行測試。
各測試儀表的性能參數(shù)如表2所示。
2.3.數(shù)據(jù)采集裝置
實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主機(jī)、測試和采集板卡組成，其中機(jī)箱為美國NI公司研制的PXIe-1071型機(jī)箱，采集硬件則使用NI公司的PXI6341和PXI6614型高速采集板卡來對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測量時(shí)各流量與壓力測量儀表將記錄的頻率或模擬量信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳遞至板卡，再從板卡傳送并儲(chǔ)存在機(jī)箱中。它們都是通過LabVIEW軟件來進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集單元的程序界面見圖2。
2.4.實(shí)驗(yàn)方法
根據(jù)各流量計(jì)的最佳工作范圍，本次流量穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)將主要在50m3/h和120m3/h流量進(jìn)行測試，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間不小于3min。
3.流量計(jì)輸出信號(hào)特性
3.1.渦輪流量計(jì)
實(shí)驗(yàn)中使用了1臺(tái)由SmithMeter公司生產(chǎn)的渦輪流量計(jì)，其頻率信號(hào)輸出如圖3所示。圖3中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是渦輪發(fā)出的每個(gè)脈沖的頻率值，左側(cè)縱坐標(biāo)為頻率，右側(cè)縱坐標(biāo)為與頻率對(duì)應(yīng)的流量值。圖中曲線波動(dòng)較大且呈現(xiàn)明顯的周期性，如被紅色虛線分割開的每16個(gè)采樣點(diǎn)為一完整周期，這與渦輪的葉片數(shù)相同。
3.2.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的頻率信號(hào)輸出形狀由一連串大小不等的恒定值構(gòu)成，見圖4。
由圖4可知，在不同流量條件下，每個(gè)“臺(tái)階”的示值幾乎相等，其寬度約為0.1s，這就意味著每隔0.1s流量計(jì)即可輸出一個(gè)新的流量值。因此，10Hz即可認(rèn)為是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在采集瞬時(shí)流量過程中的最高采樣率，這一數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其在50m3/h流量條件下的頻率輸出信號(hào)287Hz。
3.3.電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)的頻率信號(hào)輸出曲線與科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的相似，都表現(xiàn)為大小不等的階梯狀圖形，如圖5所示。每個(gè)“臺(tái)階”的寬度大約是0.06s，這與電磁流量計(jì)內(nèi)部的磁場極性轉(zhuǎn)換周期相吻合。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)過程中的監(jiān)測信號(hào)質(zhì)量較差，故存在一定程度的噪聲干擾。
3.4.時(shí)差法超聲流量計(jì)
如圖6所示，在時(shí)差法超聲流量計(jì)的頻率輸出信號(hào)中也能夠觀察到階梯形狀，并且此次每個(gè)測量周期里包含一個(gè)長“臺(tái)階”和三個(gè)短“臺(tái)階”。然而“臺(tái)階”的寬度卻都很長(大于1s)，這表明超聲流量計(jì)的響應(yīng)速度太慢，無法真實(shí)地反映出管路流量的實(shí)時(shí)變化。
3.5.多普勒測速儀
如圖7所示，采用多普勒測速儀(LDA)測得的信號(hào)曲線波動(dòng)比較劇烈，振幅超過±5%。即使對(duì)其進(jìn)行濾波處理，與渦輪流量計(jì)相比，它仍不能清楚地顯示出波動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)條件下q=50m3/h、(1±5%)∙fps(fps為水泵的設(shè)定頻率)波形的規(guī)律。這主要由于激光的測量針對(duì)的是一個(gè)非常小區(qū)的域內(nèi)粒子的速度，而沒有實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)流速到流量的積分，所以信號(hào)過于分散。
3.6.文丘里管流量計(jì)
為了提高實(shí)際采樣率，本實(shí)驗(yàn)選用瑞士Keller公司生產(chǎn)的PD23型差壓傳感器，該傳感器最高頻響可達(dá)5kHz。截取其測試時(shí)間為1s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖8可以看出，該流量計(jì)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但具有明顯的噪聲信號(hào)。
上圖中的噪聲信號(hào)是可以通過取平均值降頻或均值濾波等方法濾除的。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)差壓傳感器非常容易受到外界的信號(hào)干擾，如使用同一臺(tái)文丘里管流量計(jì)在另外一套流量裝置的實(shí)驗(yàn)中，差壓傳感器受到了管道振動(dòng)強(qiáng)烈干擾，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。該實(shí)驗(yàn)采用文丘里管流量計(jì)與渦輪流量計(jì)串聯(lián)，渦輪流量計(jì)測到的流量波動(dòng)幅度僅為1%左右的水平，而文丘里管流量計(jì)信號(hào)呈現(xiàn)巨幅振蕩，已無法正常工作。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論
經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)得到各測量儀表的實(shí)際采樣率對(duì)比如表3所示。
從表3中可以看出，在所有的流量計(jì)里文丘里管流量計(jì)擁有最快的采樣速度，渦輪流量計(jì)次之，這是因?yàn)樗鼈兣c流量相關(guān)的原始信號(hào)被直接測量，而其他幾臺(tái)流量計(jì)還需要一段很短的時(shí)間來進(jìn)行信號(hào)的處理、計(jì)算和轉(zhuǎn)換，這也是質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)等輸出信號(hào)曲線呈現(xiàn)出階梯狀的原因。
但從信號(hào)質(zhì)量角度看，直接獲取原始輸出的文丘里管流量計(jì)和渦輪流量計(jì)易受噪聲影響。渦輪流量計(jì)主要是由于其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素產(chǎn)生的噪聲，因此，在以犧牲一定采樣速度的情況下(即采用渦輪流量計(jì)的軸頻信號(hào))，可有效消除該影響;而文丘里管流量計(jì)所使用的差壓傳感器非常容易受到外界因素的影響，如管道振動(dòng)、信號(hào)干擾等，不易預(yù)測與消除;相比而言，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、時(shí)差法超聲流量計(jì)輸出信號(hào)非常“干凈”，具有較高質(zhì)量，電磁流量計(jì)信號(hào)中含有明顯的噪聲成分。因此，信號(hào)質(zhì)量從高到低可粗略排序?yàn)椋篊MF，UFM>TFM(軸頻)>EMF>VFM>LDA。
此外，還應(yīng)注意儀表內(nèi)部阻尼時(shí)間的設(shè)定，該參數(shù)直接影響流量計(jì)對(duì)流量變化的響應(yīng)速度，在上述儀表當(dāng)中，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和電磁流量計(jì)儀表內(nèi)部設(shè)置中都有固定的阻尼時(shí)間，而從時(shí)差法超聲流量計(jì)的輸出效果看，其阻尼時(shí)間可能更大。
綜合上述三方面因素，渦輪流量計(jì)在綜合性能上最符合流量穩(wěn)定性測量的需求，可作為下一步搭建的測量系統(tǒng)中的主力流量測量儀表;科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在采樣率及響應(yīng)速度上略遜一籌，但具有良好的信號(hào)質(zhì)量，文丘里管流量計(jì)具有超高的頻響特征，在可避免外界干擾的情況下可發(fā)揮其優(yōu)勢，這兩種儀表可作為備選流量計(jì)與渦輪流量計(jì)配合使用。而對(duì)于其它幾種類型的流量計(jì)，特別是上述實(shí)驗(yàn)中所用到的產(chǎn)品，并不適用于流量穩(wěn)定性的測量。
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