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氫氣流（liú）量計選型在不同流速時測量表（biǎo）現及流量限製問題的分析
點擊次數：3158 發布時間：2021-01-08 05:40:28
目前工業生產中流量計的種類類別非常（cháng）多，基（jī）於不（bú）同的測量原（yuán）理（lǐ）進行工（gōng）作，力學原理、熱學原理、電學原理及光學原理等。
氫氣流量計選（xuǎn）型是種采用卡門（Karman）渦街原理（lǐ）研究生產的（de）測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況（kuàng）的體積流量或質量流量的體積流量計。主要用（yòng）於（yú）工業管道介質流體的流量測（cè）量，如（rú）氣體、液體、蒸汽等多種介質。特點是壓力損失小，量程範圍大，精度（dù）高，在測（cè）量工況體（tǐ）積流量時幾乎不受流（liú）體密度、壓力、溫度、粘（zhān）度等參數的影響。無可動機（jī）械零件，因此可靠性高（gāo），維護量小。儀表參數能長期穩定。氫氣流量計（jì）選型采用壓電應力式傳感器，可（kě）靠性高（gāo），可在-20℃～+250℃的工作溫度範圍內（nèi）工作。有模擬（nǐ）標準信號，也（yě）有數字脈衝（chōng）信號輸出，容易與計（jì）算機等數字係統配套使用，是一種比較先進、理（lǐ）想的測量儀器。
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（děng）方麵，有很大的優勢，是目（mù）前氣體（tǐ）和低粘度液體的*佳選擇之一。但是氫氣流量計選型在某些方（fāng）麵具有技術難點（diǎn）需要（yào）克服。
本文主要探討在小流（liú）量低（dī）流速和（hé）大流量高流速的（de）情況下（xià），氫氣流量計選型檢測時的（de）一些限製問題（tí），提（tí）出了一些解決（jué）方案及實施效果。
1、氫氣流量計（jì）選（xuǎn）型（xíng）的優缺點
氫氣流量計選型在諸多應用（yòng）方麵都優於傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計（jì） 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，氫氣流量計選型的靜密封點隻有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度（dù）、壓力還有密（mì）度等影響，流量係數長期不變。但是氫（qīng）氣流量計選型在使用的時候，也存（cún）在一些問題。
1）由於氫氣流量計選型的原始信號為頻率信號（hào），致使氫氣流量計選（xuǎn）型實際為一種數（shù）字式儀表。它隻要（yào）能（néng）正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢（shì）都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦（wō）升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正（zhèng）比。因此，流量（liàng）減小（xiǎo）時，渦街（jiē）信號以 2 階關係急劇減弱，而氣體的渦街信號遠（yuǎn）低（dī）於液體。在用於氣體流（liú）量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微（wēi）弱，*易湮沒在（zài）幹擾之（zhī）中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗（bài）。
3）由於氫氣流量（liàng）計選型傳感器必須（xū）敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直（zhí）接限製了（le）傳感器的結構。針對以上（shàng）一（yī）些問題，下麵（miàn）將（jiāng）做部分探討。
2、氫氣流量計（jì）選型工作原理與結構
2.1氫氣流（liú）量計選（xuǎn）型的工作原理在日常生（shēng）活中經常能看（kàn）到渦街（jiē）現象，比如風中的旗幟（zhì），由於旗（qí）杆產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越（yuè）快－－擺動頻（pín）率與風速呈正比。還（hái）有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的（de）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（shì）大小和形狀的柱（zhù）體（即渦街發（fā）生體）。當流體流過（guò）時，在渦街發生體後兩側產生交替排列（liè）的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比。可用下式（shì）表示：F=stv/d式（1）中：f 為漩渦（wō）的頻率（lǜ）；v 為流過渦街發生體的流體的平（píng）均速度；d 為（wéi）渦街發生體的（de）流麵寬度；St 為斯特（tè）勞哈（hā）爾數（Strouhal number），數值（zhí）的範圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過（guò）測量漩渦的（de）頻率就可以計算出流過渦街發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 為流體流過渦街發生體的截麵積。
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（wéi）傳感（gǎn）器（qì）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（qì）包含有放大（dà）電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換（huàn）電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發生（shēng）體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波（bō）和（hé）應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了（le），把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量（liàng）可直接在管（guǎn）道上安裝、互換性強（qiáng）、體積小（xiǎo）、長期運行精度高，可適用（yòng）於大多數（shù）液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量（liàng）、低流速測量的限製（zhì）問題基於氫氣流（liú）量計選（xuǎn）型的原理，流量信號的強度（dù）與流量的平方成正比，即（jí）流速降（jiàng）低時，渦街信號將以平方關係急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條（tiáo）件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦（wō）力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證（zhèng）小流量的檢測，必須具（jù）備*高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量（liàng）信號放大數千倍，由此導致氫氣流量（liàng）計選（xuǎn）型（xíng）對於蒸汽管（guǎn）道的（de）振動*為敏感，無（wú）流量時指（zhǐ）示的（de）實際為振動幹擾信號，這是（shì）氫（qīng）氣流（liú）量計選型在（zài）實際應用中*大的問題。氫氣流量計選型的檢測部件利用壓電晶片（piàn）來檢測漩渦的頻率 f，由此（cǐ）得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大（dà）電路和觸發裝（zhuāng）置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈衝信號。此脈衝信號再（zài）次送入轉換（huàn）儀（yí）表裝置換算成可顯示的被（bèi）測流量。其中（zhōng），放大器的放大倍數 A 和觸發器的（de）門限（xiàn）電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示（shì）。圖 3 中輸（shū）入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改（gǎi）變 A 或者 U 的效果是（shì）相同的。
如圖 4 所（suǒ）示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必（bì）須使得觸發器輸入的（de）有（yǒu）效信號（hào） u 遠大於噪聲（shēng）信號。因此，氫氣流量計選型正常工作的必（bì）要條件是：E > u > V。當氫氣流量（liàng）計選（xuǎn）型測量低流（liú）速、小流量流體的時候，依據上述分析必（bì）須（xū）提高信噪比（bǐ），盡（jìn）量提高輸入流量的（de）有效信號，降低機械振動產生的幹擾信號的幅值。因（yīn）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頻率，這樣（yàng）可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的（de）辦法是在漩渦發（fā）生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體（tǐ），采（cǎi）用差動式的（de）壓電傳感器感（gǎn）知信號，並利用（yòng）差動放大（dà）電路來放（fàng）大信號，如圖 4 所（suǒ）示。
由於電路中（zhōng）機械（xiè）振動產生的幹（gàn）擾對 2 塊壓電晶體的作用（yòng）力是一致的，並且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以幹擾產生的信號通過差動放大（dà）後，機械振動信號因為相同而（ér）相互抵消削減，而塊壓電晶（jīng）體相反的流量信號相加後增強（qiáng）。於是，大大降低了機械振動信號的幹擾。
4、大流（liú）量、高流速測量的限製問題通常認（rèn）為（wéi），管道裏的蒸汽流速不會（huì）超過 60m/s，在（zài）選擇流量計時，量程（chéng）達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析（xī）時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高於 80m/s 的高流速，其中有近一（yī）半的出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高（gāo）達 180m/s。一般的氫氣流量計選型在流（liú）速（sù）過高時，因劇烈的（de）漏波現象，出現難以估算的（de）誤差（chà），所以也難於判斷超高流速的大小。
如（rú）圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻（pín）譜分析＋動（dòng）態濾波，改善信號波動，消除“漏波（bō）”現象。信號可以從時域分析（xī），也可以從頻域分（fèn）析。時域的信號（hào）圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫（héng）軸。信號的時域分析主要（yào）側重（chóng）於信號（hào）的直觀印象，例如信號（hào）的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅裏葉變（biàn）換，將 X（t）變換成 X（f）。具（jù）體（tǐ）的變換方法在這裏不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成（chéng）分的大小，比時域圖像提供更具（jù）體更豐富的頻域圖像（xiàng）。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析（xī）的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法（fǎ）。信號的濾（lǜ）波主要是（shì）獲得自己想要的（de）信號，並且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。在測試測量中，往往需（xū）要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素（sù），通過對氫氣（qì）流量計選型傳感（gǎn）器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超（chāo）高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由於氫氣流量計選型（xíng）容易（yì）與數字電子設備配套使用，所是一種比較（jiào）先進、理想的（de）測量（liàng）儀器。漩渦升力與流（liú）量的平方呈（chéng）正比、與流體的密度呈正比。因此（cǐ），當小流量、低流（liú）速（sù）或大流量、高流速的時候，對氫氣流量計選型提出了比較高的要求。針對這個問題，本（běn）文做了相應的探討。為（wéi）了使氫氣流（liú）量計選型盡可能測量低流（liú）速、小流量，必須提（tí）高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效（xiào）流量信號的（de）幅值而（ér）降低機械振動幹擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現（xiàn）象的問題，采（cǎi）用頻譜分析和（hé）動態濾波的方（fāng）法，盡（jìn）量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出（chū）的傳感器信號（hào）和放大器（qì）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）為展開的（de）視圖。圖 8 為處理後流量計（jì）輸出的傳感器信號和放大器輸出信號（hào）。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸（shū）出信號；
圖（tú） 8（b）為展開的視圖。
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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（děng）方麵，有很大的優勢，是目（mù）前氣體（tǐ）和低粘度液體的*佳選擇之一。但是氫氣流量計選型在某些方（fāng）麵具有技術難點（diǎn）需要（yào）克服。
本文主要探討在小流（liú）量低（dī）流速和（hé）大流量高流速的（de）情況下（xià），氫氣流量計選型檢測時的（de）一些限製問題（tí），提（tí）出了一些解決（jué）方案及實施效果。
1、氫氣流量計（jì）選（xuǎn）型（xíng）的優缺點
氫氣流量計選型在諸多應用（yòng）方麵都優於傳統的孔板流量計。比如，孔板流量計（jì） 1 個測量回路靜密封點為 20 個左右。相比而言，氫氣流量計選型的靜密封點隻有 3 個，不容易泄漏 ，它不受流體溫度（dù）、壓力還有密（mì）度等影響，流量係數長期不變。但是氫（qīng）氣流量計選型在使用的時候，也存（cún）在一些問題。
1）由於氫氣流量計選型的原始信號為頻率信號（hào），致使氫氣流量計選（xuǎn）型實際為一種數（shù）字式儀表。它隻要（yào）能（néng）正常工作，精度一定有保證。但是一旦不能正常工作，產生的測量誤差將非常大，甚至連流量的變化趨勢（shì）都不能指示，徹底不能工作。
2）漩渦（wō）升力與流量的平方呈正比、與流體的密度呈正（zhèng）比。因此，流量（liàng）減小（xiǎo）時，渦街（jiē）信號以 2 階關係急劇減弱，而氣體的渦街信號遠（yuǎn）低（dī）於液體。在用於氣體流（liú）量檢測時，因低密度、低流速導致渦街信號微（wēi）弱，*易湮沒在（zài）幹擾之（zhī）中，流量計無法正確識別出漩渦，致使測量失敗（bài）。
3）由於氫氣流量（liàng）計選型傳感器必須（xū）敏感檢測小流量時微小的渦街升力，直（zhí）接限製了（le）傳感器的結構。針對以上（shàng）一（yī）些問題，下麵（miàn）將（jiāng）做部分探討。
2、氫氣流量計（jì）選型工作原理與結構
2.1氫氣流（liú）量計選（xuǎn）型的工作原理在日常生（shēng）活中經常能看（kàn）到渦街（jiē）現象，比如風中的旗幟（zhì），由於旗（qí）杆產生的渦街而擺動，風越大，旗幟擺動越（yuè）快－－擺動頻（pín）率與風速呈正比。還（hái）有橋墩、煙囪、高樓的設計均需考慮渦街的（de）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（shì）大小和形狀的柱（zhù）體（即渦街發（fā）生體）。當流體流過（guò）時，在渦街發生體後兩側產生交替排列（liè）的漩渦，這種漩渦被稱為卡門漩渦。漩渦的頻率與流量呈正比。可用下式（shì）表示：F=stv/d式（1）中：f 為漩渦（wō）的頻率（lǜ）；v 為流過渦街發生體的流體的平（píng）均速度；d 為（wéi）渦街發生體的（de）流麵寬度；St 為斯特（tè）勞哈（hā）爾數（Strouhal number），數值（zhí）的範圍為 0.14 ～ 0.27。測量時，一般假定 St=0.2。由此，通過（guò）測量漩渦的（de）頻率就可以計算出流過渦街發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 為流體流過渦街發生體的截麵積。
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（wéi）傳感（gǎn）器（qì）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（qì）包含有放大（dà）電路、濾波整形電路以及 D/A 轉換（huàn）電路等；渦街發生體常見的有圓柱型、T 型柱、四角柱和三角柱。目前采用較多，反饋*好的是三角柱型的渦街發生（shēng）體。檢測元件有壓電晶片、熱敏電阻、超聲波（bō）和（hé）應變片差動電容等。轉換器部分基本都智能化了（le），把微處理器芯片都安裝其中。渦街流量（liàng）可直接在管（guǎn）道上安裝、互換性強（qiáng）、體積小（xiǎo）、長期運行精度高，可適用（yòng）於大多數（shù）液體、蒸汽和氣體的測量。
3、小流量（liàng）、低流速測量的限製（zhì）問題基於氫氣流（liú）量計選（xuǎn）型的原理，流量信號的強度（dù）與流量的平方成正比，即（jí）流速降（jiàng）低時，渦街信號將以平方關係急劇下降。
圖 2 顯示流量由零增大時，渦街信號的波形記錄。在相同條（tiáo）件之下，1m/s 流速的氣體產生的漩渦（wō）力僅是 5m/s 流速時的 1/25。為保證（zhèng）小流量的檢測，必須具（jù）備*高的漩渦振動檢測靈敏度，將流量（liàng）信號放大數千倍，由此導致氫氣流量（liàng）計選（xuǎn）型（xíng）對於蒸汽管（guǎn）道的（de）振動*為敏感，無（wú）流量時指（zhǐ）示的（de）實際為振動幹擾信號，這是（shì）氫（qīng）氣流（liú）量計選型在（zài）實際應用中*大的問題。氫氣流量計選型的檢測部件利用壓電晶片（piàn）來檢測漩渦的頻率 f，由此（cǐ）得到電壓信號。此電壓信號需要經過放大（dà）電路和觸發裝（zhuāng）置，將漩渦頻率*終變成儀器所能顯示的脈衝信號。此脈衝信號再（zài）次送入轉換（huàn）儀（yí）表裝置換算成可顯示的被（bèi）測流量。其中（zhōng），放大器的放大倍數 A 和觸發器的（de）門限（xiàn）電壓均可以進行調整。
如圖 3 所示（shì）。圖 3 中輸（shū）入信號電壓為 E，噪聲信號轉換到電壓輸入端為 V, 門限電壓 U 通過放大器輸出為 u, 放大器的放大倍數為 A。因 u=AU，所以改（gǎi）變 A 或者 U 的效果是（shì）相同的。
如圖 4 所（suǒ）示。要使得觸發器的輸出信號為有效信號，必（bì）須使得觸發器輸入的（de）有（yǒu）效信號（hào） u 遠大於噪聲（shēng）信號。因此，氫氣流量計選型正常工作的必（bì）要條件是：E > u > V。當氫氣流量（liàng）計選（xuǎn）型測量低流（liú）速、小流量流體的時候，依據上述分析必（bì）須（xū）提高信噪比（bǐ），盡（jìn）量提高輸入流量的（de）有效信號，降低機械振動產生的幹擾信號的幅值。因（yīn）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頻率，這樣（yàng）可以大幅度提高有效信號的幅值。另一種更實際有效的（de）辦法是在漩渦發（fā）生體的兩端分別安裝 1 對對稱的壓電晶體（tǐ），采（cǎi）用差動式的（de）壓電傳感器感（gǎn）知信號，並利用（yòng）差動放大（dà）電路來放（fàng）大信號，如圖 4 所（suǒ）示。
由於電路中（zhōng）機械（xiè）振動產生的幹（gàn）擾對 2 塊壓電晶體的作用（yòng）力是一致的，並且流體漩渦在阻流體兩側是交替產生的，所以幹擾產生的信號通過差動放大（dà）後，機械振動信號因為相同而（ér）相互抵消削減，而塊壓電晶（jīng）體相反的流量信號相加後增強（qiáng）。於是，大大降低了機械振動信號的幹擾。
4、大流（liú）量、高流速測量的限製問題通常認（rèn）為（wéi），管道裏的蒸汽流速不會（huì）超過 60m/s，在（zài）選擇流量計時，量程（chéng）達到 60m/s 就已足夠，而采用在線實時頻譜分析（xī）時發現：?80 及其以下的管線，經常出現高於 80m/s 的高流速，其中有近一（yī）半的出現超過 100m/s 的高流速，更有甚者，流速高（gāo）達 180m/s。一般的氫氣流量計選型在流（liú）速（sù）過高時，因劇烈的（de）漏波現象，出現難以估算的（de）誤差（chà），所以也難於判斷超高流速的大小。
如（rú）圖 5 所示，漏波現象使流量偏小 44.3%。針對這一現象，采用頻（pín）譜分析＋動（dòng）態濾波，改善信號波動，消除“漏波（bō）”現象。信號可以從時域分析（xī），也可以從頻域分（fèn）析。時域的信號（hào）圖像，是以時間軸為橫軸；頻域的信號圖像，是以頻率值作為橫（héng）軸。信號的時域分析主要（yào）側重（chóng）於信號（hào）的直觀印象，例如信號（hào）的周期，信號在某一時間點的幅值等。信號的頻域分析，是采用傅裏葉變（biàn）換，將 X（t）變換成 X（f）。具（jù）體（tǐ）的變換方法在這裏不再贅述。信號的頻譜圖表明了信號在不同頻率分量成（chéng）分的大小，比時域圖像提供更具（jù）體更豐富的頻域圖像（xiàng）。在 Pico Scope 示波器中，可以利用其頻譜分析（xī）的功能來觀察信號的頻譜。信號的濾波處理通常是信號處理中常用的方法（fǎ）。信號的濾（lǜ）波主要是（shì）獲得自己想要的（de）信號，並且過濾掉不符合實驗要求的信號。通常有低通、高通、帶通、帶阻這幾種方式。實際應用中，通常是設計濾波電路對電路進行濾波。在測試測量中，往往需（xū）要的是濾掉信號中的雜波。盡可能排除影響因素（sù），通過對氫氣（qì）流量計選型傳感（gǎn）器原始信號直接進行實時頻譜分析，得出超（chāo）高流速時的流量值。
如圖 6 所示。
5、結束語
由於氫氣流量計選型（xíng）容易（yì）與數字電子設備配套使用，所是一種比較（jiào）先進、理想的（de）測量（liàng）儀器。漩渦升力與流（liú）量的平方呈（chéng）正比、與流體的密度呈正比。因此（cǐ），當小流量、低流（liú）速（sù）或大流量、高流速的時候，對氫氣流量計選型提出了比較高的要求。針對這個問題，本（běn）文做了相應的探討。為（wéi）了使氫氣流（liú）量計選型盡可能測量低流（liú）速、小流量，必須提（tí）高信噪比，采用差動壓電傳感器和差動放大電路，盡量提高有效（xiào）流量信號的（de）幅值而（ér）降低機械振動幹擾信號的幅值。針對高流速、大流量產生漏波現（xiàn）象的問題，采（cǎi）用頻譜分析和（hé）動態濾波的方（fāng）法，盡（jìn）量減少漏波現象。
圖 7 為未處理時流量計輸出（chū）的傳感器信號（hào）和放大器（qì）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）為展開的（de）視圖。圖 8 為處理後流量計（jì）輸出的傳感器信號和放大器輸出信號（hào）。圖 8（a）上部為傳感器輸出的原始信號，下部為放大器輸（shū）出信號；
圖（tú） 8（b）為展開的視圖。
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