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，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行改進。 其中浙江大學(xué)的孔令穩(wěn)通過改進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行研究與設(shè)計。 通過增加振動傳感器對管道振動信號進行提取，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行濾波的帶通濾波器以及對振動干擾進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)場的管道振動進行模擬并通過測振動儀器對實際振動頻率進行測量，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。