v錐與孔板信號噪聲比的比較研究

1 引言

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

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

信號噪聲對過程控制系統(tǒng)的運行會有明顯的影響。實際應用中常利用一個流量計的信號來進行過程控制。對于流量的改變，該信號必須立即作出響應。差 壓式流量計沒有可動部件，對任何流量變化，它都能有及時的響應。遣憾的是孔板、噴嘴和文丘里管等傳統(tǒng)的差壓式流量計對于管道中的流動干擾也立刻響應。這些 流動干擾可由普通管件(如彎頭和閥門等)造成。從節(jié)流裝置(孔板、噴嘴或文丘里管)出來的差壓信號將在流量信號上表現(xiàn)出由流動干擾造成波動(起伏)的噪聲 信號。這種波動(起伏)迫使人們必須對信號求時間平均值(即進行阻尼)。由于在孔板的下游有流動循環(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)都設有阻尼機構(gòu)，它對差壓信號進行阻尼(抑制)，從而使這個流量計系統(tǒng)的響應時間加長。在許多重要的使用場合，這是不能接受 的。如安裝在天然氣壓縮機之前的“防喘振”流量計，這些流量計用來測量進入壓縮機的天然氣流量。如果檢測出大流量，控制系統(tǒng)必須在數(shù)秒內(nèi)關閉壓縮機，以避 免氣輪機超高速旋轉(zhuǎn)。如果流量計系統(tǒng)需要阻尼，則因響應時間過長會引發(fā)相當大的動態(tài)誤差。

在一個動態(tài)控制系統(tǒng)中，信號噪聲也會造成故障。一個波動(起伏)強烈的差壓信號會引發(fā)控制系統(tǒng)的“徘徊”，或連續(xù)不斷地進行調(diào)整。一個較平穩(wěn)的信號則能實現(xiàn)快速響應而同時不失穩(wěn)定性。

2測試

2.1 測試程序

在首次測試中，采用如下儀器設備，如表 1 所示。

每一個測試點為測量差壓信號都采用了完全相同的儀表。任何系統(tǒng)波動(起伏)都將由兩個流量計同等程度地檢測出來。測試時的管道連接狀況如圖 1 所示。

在 60s 內(nèi)，對測試點的數(shù)據(jù)進行采集，使得信號波動(起伏)的若干個周期都能被檢測出來。每秒取100 個數(shù)據(jù)點。對于每一個被測試的流量，總共能取得 6000 個測試點的數(shù)據(jù)。在進行所有的測試時，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，比較相對信號噪聲。

(2)方法 2：在相同差壓值下，比較相對信號噪聲。

圖 2、圖 3 和圖 4 示出采用方法 1 的測試結(jié)果，相對應的 值分別為 0.45、0.60、0.75。每次測試時所選配的雷諾數(shù)及線速度都在這 3 個圖上示出。這使得人們能在類似的管道條件下，對不同流量計的信號噪聲進行比較。由于不同流量計的響應不同，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 進行測試比較的結(jié)果，相同對應的 值分別為 0.45、0.60、0.75。每次測試時，選配的差壓值都在相應的圖中示出。這使得人們能在相同的信號水平上，但在不同的管道條件下，對孔板與 v 錐這兩種流量計進行比較。

表 2 歸納總結(jié)了采用方法 1 和 2 進行測試的結(jié)果。

表 2 中的“噪聲比率”是在每個測試點上標準偏差對差壓信號平均值的比率。利用這個比率可直接比較不同條件下的兩種流量計的噪聲水平?！跋鄬τ?v 錐的噪聲比率比”則直接表示出噪聲比率的比值。這是相對于 v 錐、孔板的相對噪聲量。如數(shù)值“2.8”，說明孔板差壓信號噪聲是 v 錐差壓信號噪聲的 2.8 倍。

3結(jié)論

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

v 錐信號的穩(wěn)定性是由于 v 錐流量計內(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。該中心取壓孔測量的是在錐體尾部周圍流過來的“被合成的”流 動。該流動的被合成，是因流體沿著錐體的整個 360°流過來，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?？装宓娜嚎讋t是開在管壁上?？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 不會合成流動中的各種干擾，而只能被進一步放大。

v 錐發(fā)生低噪聲信號的能力是其能在低差壓下正常進行測量的關鍵和基礎。