孫宏軍 李 霄

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

渦街流量計(jì)基于卡門渦街原理。當(dāng)流體通過漩渦發(fā)生體后，在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生交替脫落的漩渦列并向下游移動(dòng)。通過測(cè)量與流速成正比的頻率信號(hào)即可得到當(dāng)前流速。在渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)過程中，振動(dòng)、電磁干擾及低流速測(cè)量等問題一直阻礙著其發(fā)展和應(yīng)用[1]。

目前，主要的渦街信號(hào)檢測(cè)方式有熱絲式、電容式、應(yīng)力式、差壓式和超聲式，其中效果最好、應(yīng)用最廣泛的為應(yīng)力式和差壓式。由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率限制，差壓式檢測(cè)方式在流量超過一定值后會(huì)出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度失真現(xiàn)象[2]，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。應(yīng)力式檢測(cè)方式在信號(hào)穩(wěn)定性、頻率測(cè)量、信號(hào)幅值上較其他檢測(cè)方式有很大的優(yōu)勢(shì)[3]。但是其對(duì)外界振動(dòng)和流體的流動(dòng)狀態(tài)特別敏感，如管道振動(dòng)、管道流體的沖擊力以及由于流量的變化產(chǎn)生的隨機(jī)脈動(dòng)壓力等干擾，都會(huì)對(duì)流量的測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。因此抗振問題成為提高渦街流量計(jì)性能的關(guān)鍵，也成為渦街流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的突出問題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為解決渦街流量計(jì)抗振問題做出了廣泛而深入的研究，就探頭抗振結(jié)構(gòu)方面有如下研究：選擇在梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)彎矩零點(diǎn)處粘貼壓電陶瓷來檢測(cè)渦街信號(hào)；使用懸臂梁結(jié)構(gòu)，在探頭內(nèi)和管道外貼裝兩對(duì)壓電元件，用管道外壓電元件檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)去補(bǔ)償探頭內(nèi)壓電元件檢測(cè)到的渦街振動(dòng)混合信號(hào)[4]；雙探頭內(nèi)置于管道中，兩個(gè)探頭之間距離為同列渦街距離的一半，使兩個(gè)探頭信號(hào)相位差180°，同時(shí)感受相同的振動(dòng)干擾信號(hào)，兩信號(hào)相減，使渦街信號(hào)增強(qiáng)一倍而使混疊的振動(dòng)信號(hào)相互抵消[5]；雙壓電元件放置在懸臂梁式探頭的圓柱體腔內(nèi)，并關(guān)于法蘭上下對(duì)稱制成三線共地渦街探頭[6]；菱形探頭設(shè)計(jì)，檢測(cè)探頭扭矩，探頭管道內(nèi)部分設(shè)計(jì)成菱形，管道兩側(cè)的漩渦分別作用在菱形探頭的前后鍥面，使其產(chǎn)生扭矩。壓電晶體按照檢測(cè)扭矩的方式安裝，振動(dòng)信號(hào)不產(chǎn)生扭矩，從而實(shí)現(xiàn)純渦街信號(hào)檢測(cè)[7]。

1 識(shí)別渦街測(cè)量中振動(dòng)信號(hào)的方法①

從文獻(xiàn)可以看出，當(dāng)前渦街探頭的抗振設(shè)計(jì)主要還是以信號(hào)補(bǔ)償和進(jìn)行數(shù)字處理為主，這些方法理論上效果很好，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于探頭制作工藝水品不高，無法達(dá)到設(shè)計(jì)原理中的對(duì)稱結(jié)構(gòu)或壓電元件的對(duì)稱安裝要求，致使補(bǔ)償效果不佳；或者由于振動(dòng)問題本身較為復(fù)雜，某種方法只能從某個(gè)方面降低振動(dòng)干擾影響。這一系列問題使得上述方法實(shí)際運(yùn)用效果與理論差距甚遠(yuǎn)。

事實(shí)上，振動(dòng)載荷在頻率、作用位置和方向上都與渦街信號(hào)有著顯著的差別。因此，從振動(dòng)載荷作用在傳感器的機(jī)理上進(jìn)行區(qū)分有著重要意義。筆者從振動(dòng)載荷與渦街載荷作用方向的差異出發(fā)，提出區(qū)分振動(dòng)干擾和渦街信號(hào)的新思路，即通過測(cè)量加速度來獲取渦街頻率信號(hào)和振動(dòng)干擾，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法的可行性，揭示其解決抗振問題的潛力。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為模擬管道振動(dòng)，建立如圖1所示的基于電磁振動(dòng)臺(tái)的負(fù)壓法氣體管道振動(dòng)裝置。管道末端連接離心風(fēng)機(jī)從管道中抽氣，保證實(shí)驗(yàn)管段微負(fù)壓。PC機(jī)通過RS485總線連接，控制變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖児艿纼?nèi)的氣體流速。實(shí)驗(yàn)暫不要求精確的流量控制，所以整個(gè)系統(tǒng)流量控制為開環(huán)。氣體流量通過氣體渦輪流量計(jì)讀取(精度1%，口徑50mm，流量測(cè)量范圍5～100m3/h)。實(shí)驗(yàn)管段口徑D=50mm，儀表上游直管段長(zhǎng)20D，下游長(zhǎng)10D，實(shí)驗(yàn)管段和儀表通過夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上。為了防止實(shí)驗(yàn)管段的振動(dòng)影響標(biāo)準(zhǔn)表，實(shí)驗(yàn)管段和下游管段采用軟管連接。整個(gè)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)以閉環(huán)控制方式運(yùn)行，可輸出正弦、隨機(jī)及脈沖等不同形式、不同強(qiáng)度的激振力。

圖1 基于電磁振動(dòng)臺(tái)的負(fù)壓法氣體管道振動(dòng)裝置

1.2 管道振動(dòng)的基本現(xiàn)象

在提出新的檢測(cè)方式之前，先討論一個(gè)關(guān)于管道振動(dòng)的基本現(xiàn)象。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)情況十分復(fù)雜，振動(dòng)形式、幅度、頻率還有方向都不唯一，尤其是振動(dòng)方向。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振源多為風(fēng)機(jī)及空壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備的振動(dòng)方向至少是在某個(gè)二維平面內(nèi)變化的；同時(shí)，工業(yè)管道的質(zhì)量分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)在其上傳遞過程中會(huì)發(fā)生方向擴(kuò)散。換句話說，由于管道振動(dòng)導(dǎo)致的儀表振動(dòng)方向并不單一，而是在以管道為法相的平面內(nèi)做不確定方向運(yùn)動(dòng)。筆者通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)管段在振動(dòng)臺(tái)上的安裝方式如圖2所示。實(shí)驗(yàn)管段通過夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上，表體伸出實(shí)驗(yàn)臺(tái)面且與實(shí)驗(yàn)臺(tái)面中心距離為L(zhǎng)；以此模擬振源使管道振動(dòng)，激振力通過管道傳遞到表體?？刂普駝?dòng)臺(tái)使其保持z方向正弦振動(dòng)，頻率分別為30、50、100Hz，強(qiáng)度為0.1g(g為重力加速度)，改變距離L使其分為450、650、900mm。通過測(cè)量3個(gè)方向的加速度值(圖3)來分析振動(dòng)狀態(tài)。

圖2 實(shí)驗(yàn)管段在振動(dòng)臺(tái)上安裝方式

圖3 3個(gè)方向上加速度計(jì)的輸出電壓與頻率關(guān)系

首先，從圖3中任意一幅圖均可以發(fā)現(xiàn)：雖然激振力方向?yàn)閦軸方向，但振動(dòng)經(jīng)過管道傳遞后，在表體可以檢測(cè)到3個(gè)軸向分量的加速度，其大小不同，z軸與激振力方向相同，所以振動(dòng)分量最大，x、y軸也有振動(dòng)分量且x軸振動(dòng)大于y軸振動(dòng)。其次，從3幅圖的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著激振頻率的提高，各個(gè)軸向的振動(dòng)幅度逐漸減小，最終振動(dòng)都趨近于零。這是因?yàn)樵诒３旨铀俣炔蛔兊臈l件下，隨著激振頻率的增大，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)幅度減小，較小幅值的振動(dòng)更容易在管道傳遞過程中衰減甚至消失，最終到達(dá)儀表時(shí)各個(gè)方向上已無法產(chǎn)生有效的分量。最后，對(duì)比3幅圖的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著表體不斷遠(yuǎn)離振源(即L逐漸增大)，3個(gè)軸向的振動(dòng)分量逐漸變大，z軸分量增大趨勢(shì)尤為明顯，這跟實(shí)驗(yàn)管段的固定有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)管段的一端處于懸空狀態(tài)，近似于懸臂梁振動(dòng)，越遠(yuǎn)離固定端，振動(dòng)幅值越大。因此在L=900mm實(shí)驗(yàn)條件下，各個(gè)方向振動(dòng)分量也就增大。

1.3 區(qū)分振動(dòng)信號(hào)的思路

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出即使是單一方向的激振力，經(jīng)過管道傳遞后作用在儀表上時(shí)，在3個(gè)軸向都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)分量。因此振動(dòng)信號(hào)具有方向上多樣、不唯一的特點(diǎn)，然而渦列對(duì)渦街探頭的沖擊方向是唯一的，即圖4中y軸方向。渦街載荷方向唯一，而振動(dòng)載荷方向不唯一，那么對(duì)探頭末端進(jìn)行分析，其在y方向受到渦街載荷疊加振動(dòng)載荷y向分量；z方向載荷主要為振動(dòng)載荷z向分量；x方向載荷將包含振動(dòng)載荷x向分量以及其他沿流場(chǎng)方向的沖擊載荷。如果能夠采集到不同方向載荷信號(hào)，通過z軸信號(hào)即可辨識(shí)出振動(dòng)信號(hào)頻率，在此基礎(chǔ)上對(duì)y方向信號(hào)進(jìn)行處理即可區(qū)分出振動(dòng)干擾和渦街信號(hào)，以此提出以方向區(qū)分二者的新思路。加速度作為既有方向又有大小的矢量信號(hào)，在方向的區(qū)分上有著自身的優(yōu)勢(shì)?；贛EMS工藝的三軸加速度計(jì)采用IC封裝，較小的尺寸使其可以安裝在探頭的末端，從而直接檢測(cè)3個(gè)軸向的加速度信號(hào)。漩渦沖擊探頭末端使其產(chǎn)生y軸向的形變，形變通過加速度信號(hào)反映，分析加速度計(jì)y軸輸出的電壓信號(hào)即可得到渦街頻

圖4 加速度傳感器安裝位置

率。另外，振動(dòng)載荷在3個(gè)方向的分量亦可通過加速度信號(hào)檢測(cè)出來。這一思路通過識(shí)別z軸的振動(dòng)信號(hào)即可對(duì)y軸的混疊信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。傳統(tǒng)檢測(cè)方式只能得到一維信號(hào)，而通過三軸加速度計(jì)檢測(cè)到的信號(hào)上升為三維信號(hào)，可以為后續(xù)抗振處理提供更多信息。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 無振動(dòng)條件下渦街測(cè)量實(shí)驗(yàn)

將加裝加速度計(jì)的渦街探頭安裝在表體上進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行無振動(dòng)情況下流量實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，開啟風(fēng)機(jī)并將流量調(diào)節(jié)至66.1m3/h，采集探頭輸出的三軸向加速度信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析。

從圖5可以看出，在無振動(dòng)情況下，x、y軸的 功率譜分析結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的尖峰頻率，只有渦街敏感軸z軸在功率譜分析中出現(xiàn)了164Hz的尖峰，這個(gè)尖峰頻率在10s的信號(hào)采集時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，并且這一尖峰頻率具有一定帶寬，這些特性都符合渦街信號(hào)特征，可以判定探頭的z軸方向能成功檢測(cè)到渦街信號(hào)。

圖5 3個(gè)軸向采集到的加速度信號(hào)

2.2 振動(dòng)條件下渦街測(cè)量實(shí)驗(yàn)

接下來開啟振動(dòng)臺(tái)，設(shè)定振動(dòng)臺(tái)保持100Hz頻率、0.1g強(qiáng)度的正弦振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)開啟風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)流量至66.1m3/h，再次采集3個(gè)軸向輸出的加速度信號(hào)并做功率譜分析。

如圖6所示，在3個(gè)軸向的信號(hào)中都出現(xiàn)了50Hz工頻干擾，這是由于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)所需勵(lì)磁電流很大，電磁干擾、串?dāng)_較難去除，不過由于渦街頻率和振動(dòng)頻率距離50Hz較遠(yuǎn)且工頻干擾帶寬極窄，可以不考慮工頻干擾帶來的影響。從圖中可以看到z軸檢測(cè)到164Hz的信號(hào)，結(jié)合圖5c可以判定是渦街信號(hào)，同時(shí)也檢測(cè)到頻率為100Hz的振動(dòng)信號(hào)，說明振動(dòng)信號(hào)確實(shí)混疊到渦街信號(hào)中。在振動(dòng)條件下測(cè)量渦街信號(hào)，隨著流量的降低，渦街信號(hào)強(qiáng)度會(huì)不斷地減小，最終小于振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，或者當(dāng)振動(dòng)頻率和渦街信號(hào)頻率接近時(shí)，就很難在z軸向信號(hào)中將兩者區(qū)分出來。觀察振動(dòng)信號(hào)敏感軸x軸信號(hào)，發(fā)現(xiàn)沒有檢測(cè)到渦街信號(hào)或者檢測(cè)到的渦街信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振動(dòng)信 號(hào)，那么通過x軸信號(hào)可以方便地獲得振動(dòng)干擾頻率。結(jié)合渦街敏感軸z軸和振動(dòng)敏感軸x軸的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，即可有效地去除振動(dòng)信號(hào)的干擾。

圖6 3個(gè)軸向采集到的加速度信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

渦街流量計(jì)基于流體振動(dòng)原理，其對(duì)振動(dòng)干擾尤為敏感。解決振動(dòng)干擾對(duì)于渦街流量計(jì)發(fā)展有著重要意義。筆者通過實(shí)驗(yàn)證明了由于振動(dòng)產(chǎn)生及傳導(dǎo)的復(fù)雜性，受干擾表體振動(dòng)方向并不唯一，漩渦沖擊探頭的方向確是唯一的。由此提出了通過方向區(qū)分渦街信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的方法。將加速度傳感器與探頭結(jié)合，得到3個(gè)方向的加速度信號(hào)，成功檢測(cè)到了渦街信號(hào)，同時(shí)在振動(dòng)干擾作用下，同時(shí)檢測(cè)到了渦街信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明了這種新方法的可行性，為渦街流量計(jì)抗振研究提供了新的思路。

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