数显压缩空气流量计在不同流速时测量问题的分析研究
点击次数：1759 发布时间：2021-01-08 05:09:46
本文概述：
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。
数显压缩空气流量计是种采用卡门（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。数显压缩空气流量计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。
数显压缩空气流量计在固有原理、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*佳选择之一。但是数显压缩空气流量计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，数显压缩空气流量计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、数显压缩空气流量计的优缺点
数显压缩空气流量计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，数显压缩空气流量计的静密封点只有 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。但是数显压缩空气流量计在使用的时候，也存在一些问题。
1）由于数显压缩空气流量计的原始信号为频率信号，致使数显压缩空气流量计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，*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）由于数显压缩空气流量计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、数显压缩空气流量计工作原理与结构
2.1数显压缩空气流量计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。数显压缩空气流量计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数显压缩空气流量计的结构 数显压缩空气流量计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*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数显压缩空气流量计的原理，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*高的漩涡振动检测灵敏度，将流量信号放大数千倍，由此导致数显压缩空气流量计对于蒸汽管道的振动*为敏感，无流量时指示的实际为振动干扰信号，这是数显压缩空气流量计在实际应用中*大的问题。数显压缩空气流量计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*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，数显压缩空气流量计正常工作的必要条件是：E > u > V。当数显压缩空气流量计测量低流速、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。一般的数显压缩空气流量计在流速过高时，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，通过对数显压缩空气流量计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
由于数显压缩空气流量计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，对数显压缩空气流量计提出了比较高的要求。针对这个问题，本文做了相应的探讨。为了使数显压缩空气流量计尽可能测量低流速、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。
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。
数显压缩空气流量计是种采用卡门（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。数显压缩空气流量计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。
数显压缩空气流量计在固有原理、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*佳选择之一。但是数显压缩空气流量计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，数显压缩空气流量计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、数显压缩空气流量计的优缺点
数显压缩空气流量计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，数显压缩空气流量计的静密封点只有 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。但是数显压缩空气流量计在使用的时候，也存在一些问题。
1）由于数显压缩空气流量计的原始信号为频率信号，致使数显压缩空气流量计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，*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）由于数显压缩空气流量计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、数显压缩空气流量计工作原理与结构
2.1数显压缩空气流量计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。数显压缩空气流量计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数显压缩空气流量计的结构 数显压缩空气流量计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*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数显压缩空气流量计的原理，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*高的漩涡振动检测灵敏度，将流量信号放大数千倍，由此导致数显压缩空气流量计对于蒸汽管道的振动*为敏感，无流量时指示的实际为振动干扰信号，这是数显压缩空气流量计在实际应用中*大的问题。数显压缩空气流量计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*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，数显压缩空气流量计正常工作的必要条件是：E > u > V。当数显压缩空气流量计测量低流速、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。一般的数显压缩空气流量计在流速过高时，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，通过对数显压缩空气流量计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
由于数显压缩空气流量计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，对数显压缩空气流量计提出了比较高的要求。针对这个问题，本文做了相应的探讨。为了使数显压缩空气流量计尽可能测量低流速、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。