v錐與孔板信號(hào)噪聲比的比較研究

1 引言

本文討論比較了 v 錐流量計(jì)和普通孔板流量計(jì)的相對(duì)信號(hào)噪聲。文中，將一個(gè)恒定不變的流量下，差壓信號(hào)中的波動(dòng)(起伏)定義為信號(hào)噪聲。v 錐流量計(jì)的用戶反映，當(dāng)用 v 錐取代傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)后，信號(hào)噪聲明顯減小。在有干擾的流動(dòng)條件下, 更能感受到這種最明顯的差別。由于信號(hào)噪聲減小，用戶能對(duì)差壓變送器使用較少阻尼而獲得更好的信號(hào)讀數(shù)。

為量化上述信息，mccrometer 公司開(kāi)展了一系列的測(cè)試研究工作，對(duì) v 錐和孔板信號(hào)進(jìn)行了比較。采用空氣作為被測(cè)介質(zhì)。在同一管線中，在兩個(gè)相同的擾流件的下游安裝被測(cè)試的 v 錐和孔板。這兩個(gè)相同的擾流件是：一個(gè) 90°彎頭和一個(gè)開(kāi)度為 10%的閘閥。利用這兩個(gè)擾流件造成被干擾的流動(dòng)條件。測(cè)試結(jié)果表明：如與孔板相比較，v錐具有明顯減小的信號(hào)噪聲。

信號(hào)噪聲對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)有明顯的影響。實(shí)際應(yīng)用中常利用一個(gè)流量計(jì)的信號(hào)來(lái)進(jìn)行過(guò)程控制。對(duì)于流量的改變，該信號(hào)必須立即作出響應(yīng)。差 壓式流量計(jì)沒(méi)有可動(dòng)部件，對(duì)任何流量變化，它都能有及時(shí)的響應(yīng)。遣憾的是孔板、噴嘴和文丘里管等傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)對(duì)于管道中的流動(dòng)干擾也立刻響應(yīng)。這些 流動(dòng)干擾可由普通管件(如彎頭和閥門(mén)等)造成。從節(jié)流裝置(孔板、噴嘴或文丘里管)出來(lái)的差壓信號(hào)將在流量信號(hào)上表現(xiàn)出由流動(dòng)干擾造成波動(dòng)(起伏)的噪聲 信號(hào)。這種波動(dòng)(起伏)迫使人們必須對(duì)信號(hào)求時(shí)間平均值(即進(jìn)行阻尼)。由于在孔板的下游有流動(dòng)循環(huán)區(qū)(即大漩渦)，這使得孔板還產(chǎn)生附加的噪聲。

通常在差壓變送器內(nèi)都設(shè)有阻尼機(jī)構(gòu)，它對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行阻尼(抑制)，從而使這個(gè)流量計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)。在許多重要的使用場(chǎng)合，這是不能接受 的。如安裝在天然氣壓縮機(jī)之前的“防喘振”流量計(jì)，這些流量計(jì)用來(lái)測(cè)量進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣流量。如果檢測(cè)出大流量，控制系統(tǒng)必須在數(shù)秒內(nèi)關(guān)閉壓縮機(jī)，以避 免氣輪機(jī)超高速旋轉(zhuǎn)。如果流量計(jì)系統(tǒng)需要阻尼，則因響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引發(fā)相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)誤差。

在一個(gè)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)中，信號(hào)噪聲也會(huì)造成故障。一個(gè)波動(dòng)(起伏)強(qiáng)烈的差壓信號(hào)會(huì)引發(fā)控制系統(tǒng)的“徘徊”，或連續(xù)不斷地進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)較平穩(wěn)的信號(hào)則能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)而同時(shí)不失穩(wěn)定性。

2測(cè)試

2.1 測(cè)試程序

在首次測(cè)試中，采用如下儀器設(shè)備，如表 1 所示。

每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)為測(cè)量差壓信號(hào)都采用了完全相同的儀表。任何系統(tǒng)波動(dòng)(起伏)都將由兩個(gè)流量計(jì)同等程度地檢測(cè)出來(lái)。測(cè)試時(shí)的管道連接狀況如圖 1 所示。

在 60s 內(nèi)，對(duì)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使得信號(hào)波動(dòng)(起伏)的若干個(gè)周期都能被檢測(cè)出來(lái)。每秒取100 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)于每一個(gè)被測(cè)試的流量，總共能取得 6000 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行所有的測(cè)試時(shí)，管道中空氣壓力一直保持為 50psia(磅力/in2絕壓，約352 kpa絕壓)。管道中空氣的溫度接近70°f(約21℃)。

2.2 測(cè)試結(jié)果

由于在相同的流量下，v 錐和孔板所產(chǎn)生的信號(hào)水平不同。有幾種比較的方法，這里給出兩種方法：

(1)方法 1：在相同的雷諾數(shù)和相同的線速度下，比較相對(duì)信號(hào)噪聲。

(2)方法 2：在相同差壓值下，比較相對(duì)信號(hào)噪聲。

圖 2、圖 3 和圖 4 示出采用方法 1 的測(cè)試結(jié)果，相對(duì)應(yīng)的 值分別為 0.45、0.60、0.75。每次測(cè)試時(shí)所選配的雷諾數(shù)及線速度都在這 3 個(gè)圖上示出。這使得人們能在類似的管道條件下，對(duì)不同流量計(jì)的信號(hào)噪聲進(jìn)行比較。由于不同流量計(jì)的響應(yīng)不同，因此 v 錐的差壓讀數(shù)與孔板的差壓讀數(shù)不同。

在圖 5、圖 6 和圖 7 上，則示出了采用方法 2 進(jìn)行測(cè)試比較的結(jié)果，相同對(duì)應(yīng)的 值分別為 0.45、0.60、0.75。每次測(cè)試時(shí)，選配的差壓值都在相應(yīng)的圖中示出。這使得人們能在相同的信號(hào)水平上，但在不同的管道條件下，對(duì)孔板與 v 錐這兩種流量計(jì)進(jìn)行比較。

表 2 歸納總結(jié)了采用方法 1 和 2 進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。

表 2 中的“噪聲比率”是在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)差壓信號(hào)平均值的比率。利用這個(gè)比率可直接比較不同條件下的兩種流量計(jì)的噪聲水平?！跋鄬?duì)于 v 錐的噪聲比率比”則直接表示出噪聲比率的比值。這是相對(duì)于 v 錐、孔板的相對(duì)噪聲量。如數(shù)值“2.8”，說(shuō)明孔板差壓信號(hào)噪聲是 v 錐差壓信號(hào)噪聲的 2.8 倍。

3結(jié)論

對(duì) v 錐和孔板的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，表明 v 錐的信號(hào)噪聲要小得多。無(wú)論是在選配的相同流量下還是相同差壓下，v 錐的信號(hào)噪聲都明顯較低。

v 錐信號(hào)的穩(wěn)定性是由于 v 錐流量計(jì)內(nèi) v 錐體的幾何形狀及取壓位置造成的。它的下游取壓孔位于管道中心軸線上，該取壓孔朝向流體下游。該中心取壓孔測(cè)量的是在錐體尾部周圍流過(guò)來(lái)的“被合成的”流 動(dòng)。該流動(dòng)的被合成，是因流體沿著錐體的整個(gè) 360°流過(guò)來(lái)，在取壓孔所在的中心軸線處匯合。在 v 錐體的下游尾部低壓取壓孔處，各種干擾被混合而互相抵消。孔板的取壓孔則是開(kāi)在管壁上?？装宓南掠稳嚎讓⑹艿娇装逑掠翁幯h(huán)大漩渦的影響。這些大漩渦并 不會(huì)合成流動(dòng)中的各種干擾，而只能被進(jìn)一步放大。

v 錐發(fā)生低噪聲信號(hào)的能力是其能在低差壓下正常進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。