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流量穩定性測量方法的對比與分析

發布時間:2020-04-29所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘 要: 摘要水流量裝置的技術水平通常由所采用的水泵和閥門質量、穩流或穩壓方法以及管道結構設計來決定,并直接反映在流動穩定性這項關鍵參量之中。然而,現有的穩定性測量方法很難區分實際的流量波動和流量計的噪聲,并且測試結果易受流量計工作原理、采樣率及響

  摘要水流量裝置的技術水平通常由所采用的水泵和閥門質量、穩流或穩壓方法以及管道結構設計來決定,并直接反映在流動穩定性這項關鍵參量之中。然而,現有的穩定性測量方法很難區分實際的流量波動和流量計的噪聲,并且測試結果易受流量計工作原理、采樣率及響應時間的影響。針對所有安裝流量計的測試結果進行比較后發現,渦輪流量計具有最高的實際采樣率和最快的響應時間,然而與壓力傳感器相比,渦輪流量計的響應時間仍然慢約0.1s;渦輪流量計和科里奧利流量計的測量結果之間有著良好的相關性,表明該試驗結果反映了設備的實際流量波動。此外,使用兩種不同類型壓力傳感器的一大優勢是能夠檢測高頻的流量波動。

流量穩定性測量方法的對比與分析

  關鍵詞水流量裝置,流量穩定性,渦輪流量計,電磁流量計,質量流量計

  1.引言

  在工業過程控制儀表行業中,流量計的發展非常迅速[1],為了適應各種用途和需求,各種類型的流量計不斷涌現,如典型的差壓流量計、電磁流量計、超聲波流量計、質量流量計等[2][3]。針對流量穩定性的測量一直以來都是流量測量領域的熱點和難點,在使用流量計測量裝置穩定性時,需要了解流量計的動態響應特性,即了解流量計是否能快速地跟上瞬時流量的變化[4]。具體來說,動態流量測量的特點是要求流量計對流量的變化具有良好的響應特性,能夠較為準確地反映出流量變化幅度,與測量的準確度相比,更注重流量計在單次測量過程中的短期穩定性,而對長期穩定性要求不高[5][6][7]。

  流量儀表在設計和生產階段,為了獲得較好的測量準確度和信號輸出效果,都會在處理原始信號時加入大量后處理算法,這樣做不僅會產生延時,而且會濾掉部分有用的動態信號,但廠家往往并不會針對有關參數進行說明。因此,為了確定裝置真實的流量穩定性,采用實驗的方法篩選出合適的穩定性測試儀表就顯得至關重要。

  2.實驗平臺和方法

  2.1.實驗裝置

  流量穩定性測試實驗在德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,簡稱PTB)的熱水標準裝置(縮寫為WZP)上進行,該裝置以水為流動介質,主要用于測量或校準DN80~DN400口徑范圍的流量傳感器其相對測量不確定度達到0.04%(k=2),是公認的世界上最先進的水流量裝置之一。裝置的技術指標見表1。

  2.2.測試管段布置

  WZP裝置擁有超過25m的測試管段,并允許串聯安裝多個測試設備,管道結構示意圖如圖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,從左至右依次標記為1~8。第一臺設備為LDA(1),它被安裝在距離管道入口端4m(即50D)遠處(2),這樣就能避免入口處擾流引起的干擾;外夾式時差法超聲波流量計(3)和電磁流量計(4)都安裝在渦輪流量計的上游(7),對本實驗中采用的激光多普勒測速系統而言,要求這種安裝方式不會對各流量儀表附近管路的流場分布產生影響;科里奧利質量流量計安裝在所有測試設備的最下游(8),這是因為質量流量計對流場影響較不敏感,此外,由于實驗用的科里奧利質量流量計為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。在隨后的實驗過程中,還額外使用了一臺文丘里管流量計來進行測試。

  各測試儀表的性能參數如表2所示。

  2.3.數據采集裝置

  實驗采用的數據采集系統主要由主機、測試和采集板卡組成,其中機箱為美國NI公司研制的PXIe-1071型機箱,采集硬件則使用NI公司的PXI6341和PXI6614型高速采集板卡來對傳感器信號進行實時采集,測量時各流量與壓力測量儀表將記錄的頻率或模擬量信號通過數據線傳遞至板卡,再從板卡傳送并儲存在機箱中。它們都是通過LabVIEW軟件來進行控制,數據采集單元的程序界面見圖2。

  2.4.實驗方法

  根據各流量計的最佳工作范圍,本次流量穩定性實驗將主要在50m3/h和120m3/h流量進行測試,每次實驗時間不小于3min。

  3.流量計輸出信號特性

  3.1.渦輪流量計

  實驗中使用了1臺由SmithMeter公司生產的渦輪流量計,其頻率信號輸出如圖3所示。圖3中每個數據點都是渦輪發出的每個脈沖的頻率值,左側縱坐標為頻率,右側縱坐標為與頻率對應的流量值。圖中曲線波動較大且呈現明顯的周期性,如被紅色虛線分割開的每16個采樣點為一完整周期,這與渦輪的葉片數相同。

  3.2.科里奧利質量流量計

  科里奧利質量流量計的頻率信號輸出形狀由一連串大小不等的恒定值構成,見圖4。

  由圖4可知,在不同流量條件下,每個“臺階”的示值幾乎相等,其寬度約為0.1s,這就意味著每隔0.1s流量計即可輸出一個新的流量值。因此,10Hz即可認為是科里奧利質量流量計在采集瞬時流量過程中的最高采樣率,這一數值要遠遠低于其在50m3/h流量條件下的頻率輸出信號287Hz。

  3.3.電磁流量計

  電磁流量計的頻率信號輸出曲線與科里奧利質量流量計的相似,都表現為大小不等的階梯狀圖形,如圖5所示。每個“臺階”的寬度大約是0.06s,這與電磁流量計內部的磁場極性轉換周期相吻合。值得注意的是,實驗過程中的監測信號質量較差,故存在一定程度的噪聲干擾。

  3.4.時差法超聲流量計

  如圖6所示,在時差法超聲流量計的頻率輸出信號中也能夠觀察到階梯形狀,并且此次每個測量周期里包含一個長“臺階”和三個短“臺階”。然而“臺階”的寬度卻都很長(大于1s),這表明超聲流量計的響應速度太慢,無法真實地反映出管路流量的實時變化。

  3.5.多普勒測速儀

  如圖7所示,采用多普勒測速儀(LDA)測得的信號曲線波動比較劇烈,振幅超過±5%。即使對其進行濾波處理,與渦輪流量計相比,它仍不能清楚地顯示出波動模擬實驗條件下q=50m3/h、(1±5%)∙fps(fps為水泵的設定頻率)波形的規律。這主要由于激光的測量針對的是一個非常小區的域內粒子的速度,而沒有實現單點流速到流量的積分,所以信號過于分散。

  3.6.文丘里管流量計

  為了提高實際采樣率,本實驗選用瑞士Keller公司生產的PD23型差壓傳感器,該傳感器最高頻響可達5kHz。截取其測試時間為1s的實驗數據,如圖8所示。從圖8可以看出,該流量計具有良好的動態性能,但具有明顯的噪聲信號。

  上圖中的噪聲信號是可以通過取平均值降頻或均值濾波等方法濾除的。但在實際應用中,我們也發現差壓傳感器非常容易受到外界的信號干擾,如使用同一臺文丘里管流量計在另外一套流量裝置的實驗中,差壓傳感器受到了管道振動強烈干擾,其實驗數據如圖9所示。該實驗采用文丘里管流量計與渦輪流量計串聯,渦輪流量計測到的流量波動幅度僅為1%左右的水平,而文丘里管流量計信號呈現巨幅振蕩,已無法正常工作。

  4.實驗結果分析與結論

  經過上述實驗得到各測量儀表的實際采樣率對比如表3所示。

  從表3中可以看出,在所有的流量計里文丘里管流量計擁有最快的采樣速度,渦輪流量計次之,這是因為它們與流量相關的原始信號被直接測量,而其他幾臺流量計還需要一段很短的時間來進行信號的處理、計算和轉換,這也是質量流量計、電磁流量計等輸出信號曲線呈現出階梯狀的原因。

  但從信號質量角度看,直接獲取原始輸出的文丘里管流量計和渦輪流量計易受噪聲影響。渦輪流量計主要是由于其內部機械結構等因素產生的噪聲,因此,在以犧牲一定采樣速度的情況下(即采用渦輪流量計的軸頻信號),可有效消除該影響;而文丘里管流量計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、信號干擾等,不易預測與消除;相比而言,科里奧利質量流量計、時差法超聲流量計輸出信號非常“干凈”,具有較高質量,電磁流量計信號中含有明顯的噪聲成分。因此,信號質量從高到低可粗略排序為:CMF,UFM>TFM(軸頻)>EMF>VFM>LDA。

  此外,還應注意儀表內部阻尼時間的設定,該參數直接影響流量計對流量變化的響應速度,在上述儀表當中,科里奧利質量流量計和電磁流量計儀表內部設置中都有固定的阻尼時間,而從時差法超聲流量計的輸出效果看,其阻尼時間可能更大。

  綜合上述三方面因素,渦輪流量計在綜合性能上最符合流量穩定性測量的需求,可作為下一步搭建的測量系統中的主力流量測量儀表;科里奧利質量流量計在采樣率及響應速度上略遜一籌,但具有良好的信號質量,文丘里管流量計具有超高的頻響特征,在可避免外界干擾的情況下可發揮其優勢,這兩種儀表可作為備選流量計與渦輪流量計配合使用。而對于其它幾種類型的流量計,特別是上述實驗中所用到的產品,并不適用于流量穩定性的測量。

  相關期刊推薦:《計量學報》(雙月刊)是由中國計量測試學會主辦的學術性期刊,創刊于1980年。主要報道國內外計量和精密測試科學技術的最新研究成果和進展,刊登具有創新性的學術論文、研究簡報,內容包括:幾何量、溫度與熱物性、力學、電磁學、電子學、時間頻率、光學、聲學、電離輻射、化學與標準物質等學科的計量基準和標準的研制;測量原理和方法的研究;新技術的應用及計量學科的現狀、發展趨勢預測等。在我國科技期刊中具有一定的地位和影響力。

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