郝 松 王 振 賈小冬 魏偉力

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽 110004)

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渦街流量計(jì)在管道振動下的試驗(yàn)研究

郝 松 王 振 賈小冬 魏偉力

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽 110004)

選擇傳統(tǒng)應(yīng)力式渦街流量計(jì)，通過管道振動條件下的測量試驗(yàn)結(jié)合頻譜分析方法，研究其抗振性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，不考慮其下限流速，振動頻率為40Hz時(shí)，只有在0.05g管道振動加速度的情況下，才能正常工作。

渦街流量計(jì)；管道振動；頻譜分析

0 引言

渦街流量計(jì)利用流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的振動進(jìn)行流量測量[1-2]，因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無可動部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)而被廣泛使用[3]。正是因?yàn)槠湟粤黧w振動為測量原理，在管道振動的情況下，渦街流量計(jì)的使用受到了限制。

國內(nèi)外諸多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對渦街流量計(jì)抗振性和振動環(huán)境下渦街流量計(jì)的使用進(jìn)行了大量研究[4-7]。本文以國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力式渦街流量計(jì)作為研究對象，在氣體流量管道振動試驗(yàn)裝置上，在相同流速范圍內(nèi)進(jìn)行了相同振動頻率不同振動加速度的管道振動試驗(yàn)，研究了應(yīng)力式渦街流量計(jì)在管道振動條件下的抗振性能。

1 試驗(yàn)裝置

圖1為氣體流量管道振動試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。為避免氣體壓力波動，空氣壓縮機(jī)先將大氣中的空氣壓縮打入穩(wěn)壓儲氣罐中，高溫壓縮空氣經(jīng)過冷干機(jī)冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)氣路總閥、氣動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)表)、渦街流量計(jì)(被校表)后，最終通向大氣。本文選用的振動臺，具有頻率調(diào)節(jié)(1～400Hz)、簡易調(diào)整加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能，從而使設(shè)定頻率下不同振動加速度的管道振動試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)[3]。

圖1 氣體流量管道振動試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)中對渦街流量計(jì)的流量校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法，即由渦輪流量計(jì)測得的流量值和渦輪流量計(jì)表前壓力變送器測得的壓力值便可換算得到流經(jīng)被測渦街流量計(jì)的體積流量(管路中氣體溫度變化很小，忽略不計(jì))。標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)的最大允許誤差為±1%，內(nèi)徑為50mm，流量范圍為5～100m3/h；兩個壓力變送器的最大允許誤差均為±2%。

2 試驗(yàn)條件

為了分析管道振動對渦街流量計(jì)測量的影響，分別在5，7.5，11，15.5，20.5m/s五個流速，施加豎直方向振動，振動頻率40Hz，振動的加速度分別為0.05g，0.1g，0.2g，0.5g。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

選用國內(nèi)生產(chǎn)的普通應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)，在圖1所示的氣體管道振動試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測量試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。將測量數(shù)據(jù)整理分析，繪制其不同加速度振動條件下儀表系數(shù)相對于無管道振動時(shí)儀表系數(shù)的相對誤差曲線如圖2所示。

在相同的振動加速度下不同流速對渦街流量計(jì)測量影響的程度是不同的。低流速時(shí)渦街流量計(jì)受管道振動影響更加嚴(yán)重，輸出脈沖的頻率即為管道振動的頻率。在振動加速度較大時(shí)， 低流速點(diǎn)5m/s處的儀表系數(shù)的相對誤差集中在一點(diǎn)。隨著流速的升高，渦街流量計(jì)受管道振動影響根據(jù)振動加速度的不同可分為以下幾種情況：1)管道振動加速度為0.05g、0.1g時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速的升高而減小，最終減小至零；2)管道振動加速度為0.2g時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，最終減小至零；3)管道振動加速度為0.5g時(shí)，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，但最終未減小至零。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，應(yīng)力式渦街流量計(jì)是利用壓電探頭對交替作用在旋渦發(fā)生體上的升力的檢測進(jìn)而獲得渦街頻率的，而作用在旋渦發(fā)生體上的升力與被測流體的密度和流速平方成正比。小流量時(shí)升力幅值小，易受到管道振動的干擾，當(dāng)振動加速度較大時(shí)，振動信號的幅值超過了渦街升力的幅值，有用信號幾乎完全被淹沒，只能檢測到管道振動信號，故渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對誤差集中在一點(diǎn)。隨著流速升高，作用在旋渦發(fā)生體上的升力幅值成平方倍的增長，而管道振動加速度不變即振動幅值不變，故壓電探頭檢測到的混合信號中渦街有用信號逐漸顯露出來。當(dāng)管道振動加速度為第1)種情況時(shí)，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強(qiáng)，最終能夠抑制管道的振動信號使儀表系數(shù)相對誤差減小至零；當(dāng)管道振動加速度為后兩種情況時(shí)，在低流速下，檢測到的信號完全是振動信號，以此固定的管道振動頻率作為渦街的頻率信號，得出的儀表系數(shù)當(dāng)然隨著流速的升高而減小，儀表系數(shù)繼續(xù)降低，相對誤差增大，隨著流速的升高，渦街信號幅度增大，信噪比相對提高時(shí)，相對誤差隨之減小。而振動加速度為0.5g的振動信號相對較強(qiáng)，渦街信號的幅值隨著流速的升高雖然有大幅提升，但仍無法完全有效地抑制管道振動信號，儀表系數(shù)相對誤差有所減小，但不能減至零[3]。

表1 渦街流量計(jì)抗管道振動試驗(yàn)結(jié)果

圖2 40Hz不同加速度豎直方向振動下模擬渦街流量計(jì)相對誤差曲線

圖3 0.05g振動加速度下的信號頻譜圖

圖4 0.5g振動加速度下的信號頻譜圖

此外，除最低流速點(diǎn)外，相同流速下渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)相對誤差隨振動加速度的增加而增大，這是由于振動加速度的增加導(dǎo)致管道振動干擾的幅度變大，對渦街流量計(jì)信號輸出造成更加惡劣的影響。由以上試驗(yàn)以及分析可以看出，普通模擬渦街流量計(jì)抗管道振動的性能很差，不考慮其下限流速，振動頻率為40Hz時(shí)，只有在0.05g管道振動加速度的情況下，才能正常工作。

4 試驗(yàn)信號頻譜分析

為了觀測管道振動情況下渦街流量信號的特征，在上述試驗(yàn)中還啟用了基于計(jì)算機(jī)的信號采集系統(tǒng)，分別在上述五個流速下，對經(jīng)過電荷放大和低通濾波后的渦街正弦信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用頻譜分析軟件繪制出其對應(yīng)的頻譜圖。由前面對測量數(shù)據(jù)分析可知，0.05g和0.5g兩個振動加速度情況下的渦街特性具備一定的代表性。故此處僅以0.05g和0.5g兩個振動加速度情況下的渦街信號為例，說明其振動條件下的渦街信號的情況。其他振動加速度的信號情況均介于這兩種情況之間。

由圖3可知，在5m/s和7.5m/s兩個低流速點(diǎn)時(shí)，振動信號比較強(qiáng)，渦街信號受到嚴(yán)重影響，流量計(jì)輸出的脈沖頻率不是渦街頻率，而是振動信號與渦街信號合成的頻率，造成了流量計(jì)的測量誤差。隨著流速的增大，渦街的真實(shí)信號逐漸顯露出來，振動信號相對比較微弱，被渦街真實(shí)的信號淹沒，此時(shí)流量計(jì)輸出的脈沖頻率即為渦街信號的真實(shí)頻率。

從圖3和圖4可以看出，0.5g振動加速度情況下，渦街信號受管道振動的影響程度與0.05g振動加速度相比要嚴(yán)重得多。雖然仍存在隨著流速的增大，渦街信號逐漸增強(qiáng)的趨勢，但是在整個試驗(yàn)測量范圍內(nèi)，渦街信號都沒有完全顯露出來，而都是振動信號占據(jù)了主導(dǎo)地位。只有當(dāng)流速比較高時(shí)，振動信號中才疊加了渦街信號，而當(dāng)流速相對比較低時(shí)，渦街信號完全被振動信號淹沒。儀表輸出的脈沖頻率為振動信號的頻率。因此可以解釋圖2相對誤差曲線中0.5g振動加速度情況下，誤差比較大，而且最終仍然沒有歸零的原因。

5 小結(jié)

本文以應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力式渦街流量計(jì)作為研究對象，對其進(jìn)行管道振動條件下的測量試驗(yàn)，分析其信號頻譜的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不考慮其下限流速，振動頻率為40Hz時(shí)，只有在0.05g管道振動加速度的情況下，才能正常工作。

[1] Grzegorz L Pankanin.The vortex flowmeter：various methods of investigating phenomena．Measurement Science and Technology，2005，16(3)：R1-R16

[2] 黃詠梅，張宏建，孫志強(qiáng).渦街流量計(jì)的研究．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(3)：776-782

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.07