具有抗振動(dòng)能力的渦街流量計(jì)的研究

針對(duì)目前渦街流量計(jì)存在的抗振動(dòng)能力差的問題，提出了一種抗振動(dòng)方法。 該方法是在傳統(tǒng)的渦街流量計(jì)測(cè)量通道上增加了振動(dòng)監(jiān)測(cè)通道，通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)通道獲取當(dāng)前工況下渦街流量計(jì)所安裝的管道的振動(dòng)情況。 監(jiān)測(cè)通道將振動(dòng)信息傳送至 MCU，MCU 再對(duì)測(cè)量通道的自適應(yīng)濾波器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)正常的流量測(cè)量。 實(shí)驗(yàn)表明該方法具有較好的效果，在很大程度上提高了渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)能力。

近十幾年來， 隨著國內(nèi)外大型儀表公司對(duì)渦街流量計(jì)信號(hào)處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，在世界范圍內(nèi)，渦街流量計(jì)臺(tái)數(shù)已占總流量?jī)x表總量的 3％～5％。 當(dāng)前限制渦街流量計(jì)發(fā)展的***大問題是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)對(duì)其性能的影響。 國內(nèi)學(xué)者對(duì)渦街流量計(jì)抗干擾方法進(jìn)行研究。 目前采用***多的是從傳感器探頭以及濾波算法兩方面對(duì)渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。 其中浙江大學(xué)的孔令穩(wěn)通過改進(jìn)探頭的方法提升了渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)性能，通過抗振動(dòng)算法對(duì)渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)特性進(jìn)行研究。

本文主要從傳感器及信號(hào)處理兩方面對(duì)渦街流量計(jì)的抗干擾方法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。 通過增加振動(dòng)傳感器對(duì)管道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取，并通過算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪。

1.渦街流量計(jì)

街流量計(jì)的基本原理是：在與被測(cè)介質(zhì)流向垂直的方向放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體， 當(dāng)管道雷諾數(shù) Re 達(dá)一定值以后，隨著流體流過該旋渦發(fā)生體，出現(xiàn)附面層分離，旋渦發(fā)生體的左右兩側(cè)后方就會(huì)交替地分離釋放出有規(guī)律的交錯(cuò)排列的旋渦，稱為馮·卡爾曼渦街又稱為“渦街”。 渦街流量計(jì)根據(jù)此旋渦的脫落頻率與流體流速的線性關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)流體流量測(cè)量。 圖 1 為管道內(nèi)的 Karman 渦街模型。

2.渦街流量計(jì)抗振動(dòng)方法總體設(shè)計(jì)

渦街流量計(jì)是通過壓電晶體檢測(cè)流體與渦街阻擋體沖撞產(chǎn)生漩渦信號(hào)。 管道及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致壓電晶體的震蕩，所以在振動(dòng)較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)， 浮子流量計(jì)傳感器輸出的信號(hào)包含代表流體流速的有用信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)噪聲信號(hào)。 本方法通過振動(dòng)傳感器獲取管道振動(dòng)的頻率 f 及振動(dòng)的強(qiáng)度 A， 將管道振動(dòng)信息傳送給MCU1，MCU1 根據(jù)獲取的頻率信號(hào)對(duì)測(cè)量通道中的濾波器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整， 調(diào)整到合適的通帶后主控制器將對(duì)測(cè)量通道的信號(hào)進(jìn)行采樣處理。

3.渦街流量計(jì)抗振動(dòng)方法軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于渦街流量計(jì)抗振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要軟件對(duì)測(cè)量通道和振動(dòng)監(jiān)測(cè)通道的信號(hào)進(jìn)行處理，其中包括濾波和采樣。 同時(shí)還需要通過軟件實(shí)時(shí)調(diào)整自適應(yīng)濾波器，其中自適應(yīng)濾波器幅頻特性曲線如圖 3 所示， 自適應(yīng)濾波器包括對(duì)正常流量信號(hào)進(jìn)行濾波的帶通濾波器以及對(duì)振動(dòng)干擾進(jìn)行陷波的帶阻濾波器。 通過軟件控制 fH、fL、fC，軟件控制過程如圖 4 所示，當(dāng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)通道監(jiān)測(cè)到信號(hào)則現(xiàn)場(chǎng)存在振動(dòng)， 需要進(jìn)行抗振動(dòng)處理， 設(shè)置相應(yīng)的濾波器，從而實(shí)現(xiàn)濾波效果。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用可調(diào)振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的管道振動(dòng)進(jìn)行模擬并通過測(cè)振動(dòng)儀器對(duì)實(shí)際振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，其中振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和測(cè)振儀圖 5、圖 6 所示。

下渦街流量計(jì)信號(hào)添加抗振動(dòng)前后的信號(hào)對(duì)比， 其中對(duì)比如圖7～圖 9 所示。 在 1g、2g 振動(dòng)條件下經(jīng)抗振動(dòng)處理后信號(hào)有明顯改善，提高了測(cè)量精度，當(dāng)振動(dòng)加速度大于 3g 則抗振動(dòng)方法的改善程度開始降低。

5.結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性， 在很大程度上提高了渦街流量計(jì)的抗振動(dòng)能力。