涡街流量计压电和差压传感器的性能评估外文翻译资料

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涡街流量计压电和差压传感器的性能评估

A. Venugopal，Amit Agrawal，SV Prabhu

印度孟买，印度技术研究所机械工程系，孟买400076，印度

摘 要

涡街流量计应用中使用最广泛的压电和瞬态差压传感器。本研究评估了这两种技术在充分发展和受干扰的条件下的性能。首先，对瞬态压差传感器的位置进行优化，以获得高振幅信号，并在斯得鲁哈尔数中获得良好的线性。经验模式分解方法结合自相关衰减成功地应用于高雷诺数来识别存在流体动力噪声时的涡旋脱落频率。由于低频分量的存在，低雷诺数条件下的差流条件下差压传感器的性能显着下降。 信号质量的恶化限制了差压传感器的流量计的较低工作范围。将压电传感器和差压传感器在无负载条件下的输出信号进行比较，以获得由于管道振动和电气干扰引起的背景噪声。这些结果将有助于设计人员为涡旋频率检测提出强大的信号处理算法。

文章历史：

2013年8月7日收到

以修改后的形式收到2013年12月5日接受2013年12月12日

2013年12月27日在线提供

关键词：

差压传感器、压电传感器、钝体、斯特劳哈尔数

1.介绍

关于旋涡流量计设计的文献主要集中在钝体形状的优化以获得优质信号。但是，就流量计的总体性能而言，检测涡流脱落频率的传感器同样重要。在非流线型体后面的涡流引起速度和压力的周期性变化（对于非等温流动也是温度）。任何可以动态检测上述变量的技术都可能用于涡流脱落频率估计。旋涡流量计的早期设计是通过响应于涡流脱落的断流球的机械运动来完成的 [1]。但是，这样的设备在一段时间内容易磨损和堵塞。涡街流量计的商用传感器使用由涡旋产生的压差来推断机械膜。膜的机械深入（电容，应变，压阻，电感或压电）转换为电信号进行进一步处理。然而，压电和动态差压传感器是测量涡流脱落频率最常用的两种传感器。在Venug-opal等人的文章中可以找到与涡旋流量计有关的设计方面的全面总结，包括最佳钝体，传感器和信号处理方法。[2] 和Pankanin [3].使用最广泛的压电传感器之一利用压电晶体嵌入钝体内部或位于涡流发生器后面的机械结构内部 [4,5]。Igarshi [6] 用嵌入在各种涡流发生体内的压电传感器进行实验，发现圆柱体具有狭缝是最佳的涡流发生器形状。 zhen等人 [7] 在开放通道流量情况下，将压电传感器置于梯形钝体后面进行实验研究，发现信号的质量取决于传感器的位置。Peng等人 [8,9] 在压电传感器放置在双三角形钝体后面的圆管中进行实验。定性地报告传感器的最佳位置在第二钝体的分离点之后。 Venugopal等人 [10] 建议将阻流体宽度的0.85倍作为梯形钝体后表面后面的压电传感器的最佳位置。 压电传感器的另一个应用是从身体清醒中收集能量。Wang等人[11] 开发了一种从中收集能量的原型使用压电膜的梯形钝体的尾迹。从棚内旋涡的0.3kPa压差获得0.7nW的功率输出。Akaydin等人。 [12] 使用压电传感器从圆柱体尾流中提取0.1mW的最大功率; 航空机电效率为72％。 这些研究强调了传感器位置优化的重要性，以实现钝体尾迹的最大输出。Miau和Lu [13] 首先提出了使用动态壁压测量技术来获得涡旋脱落频率。 钝体下游（它们的情况下的环形体）下游的不稳定行为可以通过安装在管壁上的压力传感器拾取。 Miau和Hus [14,15] 进一步探索各种形状的环作为旋涡流量计应用的涡旋脱落器，并建议将非流线形体（环）的宽度的2-3倍作为压力传感器的最佳位置。 Miau等人 [16] 为了提高信号质量，建议在动态差压测量的分离点后面的钝体（Tshaped shedder）表面上钻两个水龙头。Zhang等人 [17] 采用了一种改进的方法来测量涡流脱落频率。采用两个压力测量值，一个在钝体上游和另一个下游测量，而不是使用单一压力来获得涡旋脱落频率。这种方法的主要优点是直接测量质量流量。平均压差和波动压力分量的大小被一起用来直接获得它们的情况下的质量流率。Li和Sun[18] 开发了一种基于管壁压差法的质量流量计，并证明Re_Dgt; 5500的仪表系数具有恒定性。对于不确定度为plusmn;5％的较低工作范围，建议使用校正系数。Sun等人[19] 进行了实验来研究采样管尺寸对压力信号幅度的影响。推荐使用短直径和小直径的管来获得相对较强的信号。 Venugopal等人 [20,21] 进一步探讨了轴对称水龙头组合管道壁压差法。 基于他们详细的测量结果，他们发现了用于测量壁压的最佳钝体形状和位置。 根据信号幅度和Strouhal数相对于雷诺数的偏差，发现梯形形状的钝体是最合适的形状。太阳 [22] 使用轴对称分接头组合开发了一种具有收敛 - 扩张结构的涡街流量计，以将工作范围降低50％。Sun等人[23] 研究了钝体形状对不可恢复的压力损失的影响。不管钝体的形状如何，在壁压分布中观察到不变的趋势。

超声波测量原理的应用是另一种用于检测涡旋脱落频率的潜在技术。可以使用棚涡流的对流速度来调制直径横穿管道的超声波束。库特哈德和严 [24] 采用超声波传播时间法测量梯形和Tshaped虚张声的涡旋脱落频率身体。卢娜和纽豪斯 [25] 使用脉冲比率频率多普勒超声来测量圆柱体后面的涡旋。Hans等人 [26–28] 测量三角形和梯形钝体后面的涡旋脱落频率。 他们观察到超声波测量受涡流发生器后缘后面的次级涡流的影响。涡流检测的超声波方法被发现对与漩涡相关的湍流脉动敏感，在涡流发生器后面的涡流涡流。这基本上需要修改钝体的后缘以防止二次涡流的产生。

文献调查表明，压电和瞬态压差传感器主要用于涡街流量计的应用。然而，就选择钝体形状和传感器组合而言，没有可用的指导方针。因此，本研究的目的是比较涡街流量计应用的各种传感技术。在这种情况下，动态差分压 -确定传感器进一步探索涡流owmeter应用程序和直接比较压电传感器在充分发展和扰动下的条件提出。 这些信息对于涡街流量计的设计很有用。

2.实验设置

本研究采用动态校准设施作为实际流量测量的参考。该系统能够处理0-550m³/ h范围内的流量。估计本系统涵盖的最小雷诺数（Re_D= 14,000）的最大不确定度为0.34％。Venugopal等人发现了实验装置的细节。 [10]。试验Keller（PD 23）制造的频率响应为1 kHz的差压变送器进行了调查。在本研究中使用的钝体是如图所示的梯形形状 图1。

1. 数据减少

Strouhal数字被定义为 [29]:

其中f是平均漩涡脱落频率。以1kHz的采样率采集约10分钟。傅里叶光谱分析是用12,000个样本进行的，平均超过50个块。

涡街流量计的线性定义如下 [30]:

线性度

建议显示小线性值斯特劳哈尔数与雷诺数的常数值。

斯特劳哈尔数的偏差定义为：

其中St_平均是覆盖的所有雷诺数的斯特劳哈尔数的平均值。

扰动下的斯特劳哈尔数的偏差定义为：

其中St_FD是在充分开发的流动条件下获得的平均斯特劳哈尔数。

图1.涡街流量计测试设备示意图 [10]。 （1）泵。 （2）闸阀。 （3）旋涡流量计。 （4）瞬态压差变送器。

1. 量杯。 （6）剪切梁式称重传感器。

3.1。 不确定性分析

Miau等人提出的Strouhal数估计的不确定性[31] is:

U_ST是St中的总不确定度，U₁是重复性，U₂是重复性，U₃是频率分辨率中的不确定度，和U₄是流量校准系统中的不确定度。

估计可信度为95％的可重复性为1.6％。估计频率分辨率为1.4％的不确定度为最小雷诺数。速度估计的不确定性大约为0.34％。与其他不确定性相比，本案例中的重复性被认为是可以忽略不计的。因此，斯特劳哈尔数的总体不确定性在2.1％左右。

1. 在充分发展的条件下优化差压传感器的位置

在本研究中，评估管道周边36°夹角处的轴对称抽头和抽头以评估瞬态压力测量结果。在本研究中使用的三种不同的压力抽头组合如图所示 图2。根据安装差压传感器的难易程度和减小连接管长度来选择组合，以防止信号衰减效应。选择36°的夹角来测量靠近钝体尖锐边缘的压差以获得高振幅信号。x / d = 0的抽头位置是基于这样一个事实来选择的，即该流体在该非流线型体的尖锐边缘处分离并且是涡旋脱落现象的发生点。

三种抽头组合的结果总结在表格1。结果表明，轴对称分接头组合是所研究的所有组合中最好的。对于Re_D= 1.4times;10⁴-3.1times;10⁵，用该组合得到的线性度和偏差分别为0.75％和0.814％。这给出了1:22的下调比率。压电传感器在其他相似条件下获得的线性度和偏差分别为1.14％和1.55％，下降比例为1:11 [10]。这表明动态差压传感器在充分发展的流量条件下的性能优于压电传感器。 在文献中报道了各种传感器的最佳形状的定性表示图3。值得注意的是，斯特劳哈尔数为一个带狭缝的圆柱体获得的（IGarshi [6]）比其他形状更高。狭缝的引入使斯特劳哈尔数从0.2（对于实心圆柱体）增加到0.3，线性度为0.3。斯特劳哈尔数的这种增加具有较高涡旋脱落频率的后果，这可能不利于传感器设计和信号处理，尤其是在由于传感元件的共振而导致的高雷诺数下。Miau等人提出的钝体形状 [16]（T形）具有0.153的低Strouhal数值。这突出表明，分流板的引入延缓了剪切层的相互作用，导致斯特劳哈尔数较低。 尽管超声波具有很高的灵敏度（Hans et al[26]）和bre Bragg光栅传感器（Takashima et al[32]），Strouhal数对雷诺数的依赖性相当强，线性分别为2.87和14。 这突出表明，钝体形状和传感器位置需要进一步优化以与压电和差压传感器相抗衡。有关各种最佳形状的结果汇总可参见表2.

在充分发展的潮湿条件下的瞬态压差传感器和压电传感器的比较也显示在图3。有趣的是，虽然两个传感器的平均斯特劳哈尔数都保持不变，但斯特劳哈尔数随雷诺数的变化是不同的。这会产生不同的线性值。 特别地，差压传感器对于分布在较低频率范围内的脉动敏感。在较高的雷诺数下，低频（22Hz）的放大与涡旋脱落频率（95.01Hz）相当，如图4。随着流速降低，噪声漂移的频带向更低的范围降低，振幅显着衰减，涡流脱落频率明显占优势。因此，利用差压传感器在较高的雷诺数下涡旋脱落频率检测相当困难。基于压电传感器的性能。

times; times;

然而，测量结果在低雷诺数下变差 [10]。这强调了两种传感技术的动态在操作范围内是不同的的owmeter。压电传感器产生的噪声源主要是由于管道振动造成的，这种振动在低雷诺数下主要由于弱涡旋强度; 而在瞬态压差传感器的情况下，噪声源是流量引起的流体动力学脉动。

1. 涡旋脱落频率的提取

在高雷诺数条件下，由差压传感器测得的涡旋脱落频率估计很困难频率脉动如图所示图4。Venugopal等人[10]提出了一种基于经验模式分解与自相关函数衰减相结合的信号处理算法，该算法对于低雷诺数的压电传感器获得的信号。该方法基于自相关函数的衰减率将涡旋脱落频率与其他不需要的频率分开。与功率谱中观察到的其他频率分量相比，涡旋脱落信号的自相关函数的衰减速率较慢。在目前的研究中，这个算法是用从各种雷诺数的压差传感器获得的信号进行测试的。对于Re_D= 3.1times;10⁵的典型经验模式分解显示在 图5。具有最小衰减率的固有模式函数（IMF）的自相关函数被选择为涡旋脱落频率[10]。在不同的雷诺数下，各种固有模式的归一化自相关函数衰减如表1所示图6和7。在功率谱图中观察到22Hz和7Hz的频率，以及分别在Re_D= 3.110⁵和3.010⁴处的95Hz和9Hz的涡旋脱落频率。但是，这两个频率的衰减率与涡旋脱落频率相比较高，这从表中可以看出图6和7。 这归因于黑夜能量含量和涡旋脱落信号的强周期性与其他频率成分相比足够长。 这表明算法也可以用于瞬态压差传感器以及在存在低频分量的情况下，尤其是在高雷诺数情况下识别涡旋脱落频率。在低流量（Re_Dlt;14,000）时，涡街信号很差，完全被噪音掩盖。 这基本上限制了较低的操作涡街流量计的范围。因此，我们无法在层流状态下进行实验; 因此测量结果仅在湍流状态下进行。

times; times;

1. 在受到干扰的情况下进行调查

一般建议流量计在充分发展的流量条件下运行。这确保根据校准常数（仪表系数）进行精确的测量。但是，在某些应用中，很难为流量计提供完全开发的流量条件。在这种情况下，事先了解该流量计的性能对其是至关重要的足够的功能。涡街流量计对上游扰动的敏感性在过去已经被研究过，试图修正仪表系数并推荐上游管道长度要求。从非流线型体流出的涡流不仅受上游流速的不对称性影响，而且受上游流体湍流强度的影

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