一种基于涡街传感器的质量流量测量方法与流程

本发明涉及涡街流场测量领域，特别地，涉及一种基于加速度测量的质量流量测量方法。

背景技术：

涡街流量计是一种基于卡门涡街原理的速度式流量仪表，因其测量范围宽、可靠性高、压力损失小、对流体物性变化不敏感等特点而得到了广泛的应用，工业领域中常用到涡街流量计测量流体的体积流量。但想要直接得到质量流量只能通过质量流量计来测得，无法通过涡街流量计直接获得。传统方法上，如果想要通过涡街流量计测量质量流量，需要加温度和压力补偿，过程十分复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种基于涡街传感器的质量流量计测量方法。本发明的技术方案如下：

一种基于涡街传感器的质量流量测量方法，包括下列步骤：

(1)通过对气相条件下加速度式涡街探头标定结果的幅值信息进行分析，计算出幅值的均值，拟合出三轴加速度计中z轴的幅值信号，即升力幅值aa与气相流速u的曲线图，得到气相条件下的质量流量拟合公式；

(2)考虑到在低流量时，测得的加速度幅值信号存在非线性区，即幅值信号aa与u存在测量下限，导致拟合结果中存在偏置b和u0，将aa/ρ与流速u进行拟合公式如下：

设kv为体积仪表系数；f为涡街传感器的频率，再根据气相体积流量计算公式

以及气相密度表达式

设s为管道横截面积，得到气相质量流量：

式中，mg为气体的质量流量，qg为气体的体积流量。

附图说明

附图1是正压法音速喷嘴气相流量测量的流向图。

附图2是加速度式涡街探头u-aa关系图。

附图3是aa/ρ与u的二次拟合结果。

附图4是质量流量预测结果。

附图中：1：气源(包括空压机、稳压器、阀门)，2：测量管段，3：正压法音速喷嘴气体流量标准装置。

具体实施方式

如图1，为本实验的正压法音速喷嘴流量标准装置图。该装置由气源1(包括空压机、稳压器、阀门)，测量管段2，正压法音速喷嘴气体流量标准装置3，各系统之间依靠plc控制系统调节。气路控制系统主要是为气相测量及标定实验提供不同压力、温湿度条件下的稳定气源，包含空气压缩机、电动调节阀、涡街流量计等。本实验中，涡街信号的采样频率设为60k，采样时间为7s。通过对探头的单相测量特性进行研究，获取幅值及频率信息。这里的探头为加速度式涡街探头，气相涡街测量主要是通过z轴(涡街升力方向)完成的。为确保加速度式涡街探头能够精确测量雾状流，首先需要分析其在单相测量中的性能，因此需在正压法音速喷嘴标准装置上进行气相标定实验，并通过标定结果鉴定涡街探头的测量精度与稳定性。

气相测量标定工况：qg＝7.67～35.03m³/h，u＝3.9～40.0m/s，喷嘴温度t＝28℃，标定压力p1＝300kpa，p2＝400kpa，共计30个测量点且每个测量点进行3次重复性实验。

气相流量标定过程如下所述：首先，按操作要求规范打开空气压缩机、空气泵和工控机等设备，进入气体检定系统；其次，根据不同的压力、流量条件打开进气阀，待压力、频率和差压均稳定后(约30min)，准备进行标定工作；标定过程中，运行检定系统的同时，依托于涡街信号采集系统采集探头所测得的信号，标定完成后保存标定结果及测量信号，至此完成一次标定，为验证其可靠性，同一测量点需重复标定3次；缓慢关闭气路进气阀，通过喷嘴变更改换测量点，重复上述实验；最后，标定完成后进行关机、拆线、关泵等操作，并对实验数据进行处理。

涡街流量计评价指标通常用体积仪表系数kv来体现，其计算公式如式(1)：

式中，kvij为第i点第j次体积仪表系数；kvi为第i点体积仪表系数；kv为体积仪表系数；f为被检表的频率；qv为被检表的实际体积流量。

重复性公式如(2)：

式中，σvi为第i点体积仪表系数的重复性。

经过单相涡街实验标定，对加速度式涡街探头标定结果的幅值信息进行分析，幅值信息与气相流速之间的关系图2所示，为加速度式涡街探头u-aa关系图。可以看出，不同压力下均呈现二次曲线关系，这也为其进行涡街单相、两相涡街测量奠定了理论基础。

更进一步地，如图2为加速度式涡街探头u-aa关系图。其规律差异是由于不同压力下的气相密度发生变化，因此可以将加速度幅值、气相流速与密度进行拟合，拟合公式形式如：

式中，c为常数；ρ为气相密度，单位为kg/m³；u为气相流速，单位为m/s；aa为加速度幅值，单位为g，由式(4)计算：

式中，aⁱmax和aⁱmin分别为n个周期内加速度信号的第i个周期里最大、最小值。

在实际工况中，考虑到探头的材料及封装问题，在低流量时，测得的加速度幅值信号存在明显的非线性区，即幅值信号aa与u存在测量下限，导致拟合结果中存在偏置b和u0，综合考虑，拟合公式应优化为：

将aa/ρ与流速u进行拟合，拟合结果如图3所示，为aa/ρ与u的二次拟合结果，拟合曲线为：

式中常数c为0.0047，偏置u0和b分别为24.6200、0.1924，确定系数(r²)为0.9994，和方差(sse)为0.0018，均方根(rmse)为0.0102，可见拟合效果较好。

由于加速度式涡街探头的测量特性，可测得频率f和波动幅值aa两组信号。根据单相标定结果，可利用频率信息获取气相体积流量，利用加速度幅值信息可获得气相密度，因此，加速度式涡街探头不仅可测得气相体积流量，还可直接测量气相质量流量。

根据气相标定结果，仪表系数kv＝337170，故体积流量计算如式(7)：

根据上述拟合结果，气相密度可表达为式(8)：

其中，u可根据气相流速qg计算得到，则质量流量预测模型如式(9)：

式中，s为管道横截面积。根据预测模型，对实验数据进行预测，预测结果如图4所示，为质量流量预测结果，可以看出预测误差在±5％以内。