基于差分法的旋進(jìn)漩渦流量計抗振動(dòng)干擾的實(shí)驗研究

旋進(jìn)漩渦流量計是近些年來(lái)才廣泛應用的新技術(shù)流量計，它通過(guò)測量流體在流量計內部的旋進(jìn)旋渦進(jìn)動(dòng)效應的脈沖頻率計算流量。該流量計主要特點(diǎn)是無(wú)活動(dòng)部件，線(xiàn)性測量范圍寬，有很好的耐腐蝕性。對測量介質(zhì)的適應性廣，可廣泛應用于氣體、液體等介質(zhì)的計量。旋進(jìn)旋渦流量計本身存在一個(gè)缺點(diǎn)，即抗干擾能力差。如果待測系統中存在振動(dòng)、噪聲、壓力脈動(dòng)等干擾，就會(huì )引起測量系統誤差的增大，造成計量誤差，所以提高它的抗振性顯得極為重要。目前，旋進(jìn)旋渦流量計的抗振措施主要有以下三種：

1）從源頭消除。該方法要求旋進(jìn)旋渦流量計必須嚴格按照安裝要求進(jìn)行安裝。遠離能產(chǎn)生干擾的零部件，例如：壓機、分離器、調壓閥、大小頭匯管及彎頭等，以避免振動(dòng)及噪聲。保持流量計安裝位置前后直管段內壁光滑，管道平直，表前直管段長(cháng)度不小于10d，表后直管段長(cháng)度不小5d。同時(shí)須保證被測流體是單相流體，不含其他雜質(zhì)。

2）用數字信號處理法（DSP）處理流量傳感器的信號。該方法就是對當前廣泛采用的從信號采集、放大、濾波、整形、到計數流程的提升，以求準確地將頻率信息從含管道振動(dòng)和流場(chǎng)不穩定等干擾中提取出來(lái)，提升流量計測量精度，達到工況要求。

3）對稱(chēng)信號差分處理。本方法主要解決脈動(dòng)壓力差導致的旋進(jìn)旋渦流量計的測量信號質(zhì)量問(wèn)題。在1991年為了降低旋進(jìn)旋渦流量計量程下限，HeinRichs用集成差分傳感器做了相應的實(shí)驗研究。2000年傅新等人用流體力學(xué)仿真法研究旋進(jìn)旋渦流量計的流場(chǎng)特性，提出通過(guò)差分處理法改善對稱(chēng)信號抗干擾性的思路。2002年后彭杰綱等人實(shí)驗研究了流場(chǎng)干擾對旋進(jìn)旋渦進(jìn)動(dòng)效應的影響，發(fā)現旋進(jìn)旋渦效應的脈動(dòng)壓力與流體脈動(dòng)產(chǎn)生的壓力線(xiàn)性迭加現象，流場(chǎng)脈動(dòng)干擾使測量傳感器輸出信號主頻移動(dòng)的現象；通過(guò)分析旋進(jìn)旋渦有效信號和脈動(dòng)干擾信號的相位，發(fā)現軸對稱(chēng)方向的旋進(jìn)旋渦有效信號相位差接近180°，流體脈動(dòng)干擾信號相位差接近0°；基于相位判別法和仿真結果，提出旋進(jìn)旋渦流量計抗流場(chǎng)脈動(dòng)干擾的方法。

將對稱(chēng)信號差分處理，能消除流體脈動(dòng)的干擾，但是對稱(chēng)安裝的傳感器的位置和距離因素，導致其不能消除管道振動(dòng)干擾。本文就消除管道振動(dòng)方面進(jìn)行了實(shí)驗研究。在同側沿軸向安裝兩個(gè)傳感器，而且保證安裝距離盡可能小，其中一個(gè)檢測流體脈動(dòng)和管道振動(dòng)信號，另一個(gè)只檢測管道振動(dòng)，將測得的信號做差分處理，可以消除各種類(lèi)型的管道振動(dòng)。

1 旋進(jìn)漩渦流量計的工作原理

如圖1所示，旋渦發(fā)生體與流量計殼體固結安裝，其作用是使流入流量計內腔的流體旋轉起來(lái)，旋轉速度的切向分量仍然會(huì )使流體沿內腔軸線(xiàn)向前移動(dòng)。流體的旋轉和軸向運動(dòng)復合就產(chǎn)生連續的旋渦流，渦核在中心位置，被外圍的環(huán)流包裹。在收縮段流體流速處于加速狀態(tài)，渦核直徑迅速變小，而旋渦強度增強。當流體流經(jīng)擴散段時(shí)，旋渦速度降低，環(huán)流壓力回升，此時(shí)渦核壓力最低，在壓力差的作用下發(fā)生了回流現象�；亓魇剐郎u流偏離前進(jìn)方向作類(lèi)似陀螺的運動(dòng)，此時(shí)旋渦的運動(dòng)可分解為三部分：旋渦繞自身軸線(xiàn)的旋轉、旋渦軸線(xiàn)繞主流軸線(xiàn)的旋轉、旋渦沿主流方向的前進(jìn)運動(dòng)。旋渦流進(jìn)動(dòng)效應發(fā)生在擴大段且貼近流量計殼體內壁面，進(jìn)動(dòng)頻率與流速呈線(xiàn)性關(guān)系，旋渦進(jìn)動(dòng)頻率可以定性反映流速和體積流量的大小，經(jīng)過(guò)標定后的流量計可以定量測量流體的體積流量。

圖1 旋進(jìn)漩渦流量計工作原理圖

2 管道振動(dòng)干擾對旋進(jìn)旋渦流量計測量影響實(shí)驗研究

2.1 實(shí)驗測試系統

實(shí)驗流體為氣體，系統安裝在音速?lài)娮炝髁繕硕ㄑb置上，由5個(gè)部分組成，如圖2所示。管道振動(dòng)模擬裝置，用于在實(shí)驗室里模擬管道在工況下的振動(dòng)；實(shí)驗表體；流量標定裝置，選用音速?lài)娮炝髁繕硕ㄑb置；壓差產(chǎn)生裝置，通過(guò)真空泵產(chǎn)生負壓，入口和出口之間產(chǎn)生一個(gè)壓差，形成小型風(fēng)洞；信號采集、放大及顯示系統，信號經(jīng)兩級放大后在示波器上顯示波形，示波器的型號為RIGOLDS5022ME，帶寬為25MHz，實(shí)時(shí)采樣率為1GSa/s。

圖2 實(shí)驗裝置及測試系統圖

2.2 實(shí)驗條件

實(shí)驗所用的傳感器是直徑為7mm壓電式壓力傳感器，其共振響應頻率很高，可以忽略傳感器共振給實(shí)驗的影響。實(shí)驗介質(zhì)為空氣，實(shí)驗時(shí)的瞬時(shí)流量固定為21.8m³/h，管道內徑為DN50。為了滿(mǎn)足安裝要求并得到充分發(fā)展的湍流，入口直管道長(cháng)度為流量標定裝置的直管長(cháng)度3000mm（>>10d），出口直管長(cháng)度為500mm（>5d）。

3 實(shí)驗結果及討論

為了充分顯示管道振動(dòng)對旋進(jìn)旋渦流量計采集信號的影響，針對管道的振動(dòng)特性、流場(chǎng)中復合信號特性、流場(chǎng)中復合信號差分特性3個(gè)方面分別進(jìn)行了實(shí)驗研究。

如圖3所示，在管道同側沿軸向安裝兩個(gè)壓電傳感器，左側傳感器a埋在流量計殼體中，不與流體接觸，只檢測管道的振動(dòng)信號；右側傳感器b與流體有接觸，檢測的信號包含管道振動(dòng)信號和流體脈動(dòng)干擾信號、旋進(jìn)旋渦的有效信號等。信號采集之后將右側傳感器b的信號與左側傳感器a的信號作差分處理。

圖3 信號采集部分示意圖

3.1 管道振動(dòng)特性實(shí)驗（管道中流體瞬時(shí)流量為21.8m³/h）

由于傳感器a不與流體接觸，故所采集的信號與流量無(wú)關(guān)（如圖4），傳感器a采集的信號主要是管道的振動(dòng)（如圖5）。

圖4 管道無(wú)振動(dòng)時(shí)傳感器a的波形

圖5 管道有351Hz振動(dòng)時(shí)傳感器a的波形

3.2 流場(chǎng)中復合特性實(shí)驗（管道中流體瞬時(shí)流量為21.8m³/h）

傳感器b所采集的信號包含有旋進(jìn)旋渦有效信號（圖6、圖7中FFT的第一個(gè)尖峰），流體脈動(dòng)干擾信號（圖6、圖7中FFT第二個(gè)尖峰），管道振動(dòng)信號（圖7中FFT第三個(gè)尖峰）。

圖6 管道無(wú)振動(dòng)時(shí)傳感器b的波形

圖7 管道有351Hz振動(dòng)時(shí)傳感器b的波形

3.3 流場(chǎng)中復合信號差分的特性實(shí)驗（管道中流體瞬時(shí)流量為21.8m³/h）

經(jīng)過(guò)差分后，圖8、圖9中FFT第一個(gè)尖峰所代表的旋進(jìn)旋渦有效信號得到明顯加強，圖5和圖7中351Hz的管道振動(dòng)干擾信號被消除。由于傳感器a的信號不包含管道中流體的脈動(dòng)干擾信號，故差分后也不能消除管道中流體脈動(dòng)干擾，在圖9中仍然存在流體脈動(dòng)干擾信號（FFT中第二個(gè)尖峰）。

圖8 管道無(wú)振動(dòng)時(shí)差分后波形

圖9 管道有351Hz振動(dòng)時(shí)差分波形

4 結論

采用同側軸向并排安裝雙傳感器差分法可以消除管道的振動(dòng)干擾信號，但不能消除管道中流體脈動(dòng)干擾信號，雙傳感器的安裝位置與安裝距離有待進(jìn)一步實(shí)驗研究。在軸對稱(chēng)位置加裝另一組傳感器用來(lái)同時(shí)消除管道中流體脈動(dòng)干擾和管道振動(dòng)干擾的方法有待實(shí)驗驗證。