具有抗振動能力的渦街流量計的研究

針對目前渦街流量計存在的抗振動能力差的問題，提出了一種抗振動方法。 該方法是在傳統(tǒng)的渦街流量計測量通道上增加了振動監(jiān)測通道，通過振動監(jiān)測通道獲取當(dāng)前工況下渦街流量計所安裝的管道的振動情況。 監(jiān)測通道將振動信息傳送至 MCU，MCU 再對測量通道的自適應(yīng)濾波器進(jìn)行實時調(diào)整，從而實現(xiàn)正常的流量測量。 實驗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的抗振動能力。

近十幾年來， 隨著國內(nèi)外大型儀表公司對渦街流量計信號處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，在世界范圍內(nèi)，渦街流量計臺數(shù)已占總流量儀表總量的 3％～5％。 當(dāng)前限制渦街流量計發(fā)展的***大問題是工業(yè)現(xiàn)場管道振動對其性能的影響。 國內(nèi)學(xué)者對渦街流量計抗干擾方法進(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渦街流量計的抗振動進(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的抗振動性能，通過抗振動算法對渦街流量計的抗振動特性進(jìn)行研究。

本文主要從傳感器及信號處理兩方面對渦街流量計的抗干擾方法進(jìn)行研究與設(shè)計。 通過增加振動傳感器對管道振動信號進(jìn)行提取，并通過算法實現(xiàn)信號的去噪。

1.渦街流量計

街流量計的基本原理是：在與被測介質(zhì)流向垂直的方向放置一個非流線型的對稱形狀的物體， 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)后方就會交替地分離釋放出有規(guī)律的交錯排列的旋渦，稱為馮·卡爾曼渦街又稱為“渦街”。 渦街流量計根據(jù)此旋渦的脫落頻率與流體流速的線性關(guān)系從而實現(xiàn)流體流量測量。 圖 1 為管道內(nèi)的 Karman 渦街模型。

2.渦街流量計抗振動方法總體設(shè)計

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

3.渦街流量計抗振動方法軟件實現(xiàn)

對于渦街流量計抗振動的實現(xiàn)需要軟件對測量通道和振動監(jiān)測通道的信號進(jìn)行處理，其中包括濾波和采樣。 同時還需要通過軟件實時調(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)濾波器包括對正常流量信號進(jìn)行濾波的帶通濾波器以及對振動干擾進(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)振動監(jiān)測通道監(jiān)測到信號則現(xiàn)場存在振動， 需要進(jìn)行抗振動處理， 設(shè)置相應(yīng)的濾波器，從而實現(xiàn)濾波效果。

4.實驗驗證

本文采用可調(diào)振動頻率和振動加速度的振動試驗臺對實際現(xiàn)場的管道振動進(jìn)行模擬并通過測振動儀器對實際振動頻率進(jìn)行測量，其中振動實驗臺和測振儀圖 5、圖 6 所示。

下渦街流量計信號添加抗振動前后的信號對比， 其中對比如圖7～圖 9 所示。 在 1g、2g 振動條件下經(jīng)抗振動處理后信號有明顯改善，提高了測量精度，當(dāng)振動加速度大于 3g 則抗振動方法的改善程度開始降低。

5.結(jié)束語

通過實驗驗證了該方法的可行性， 在很大程度上提高了渦街流量計的抗振動能力。