渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)性能的試驗(yàn)研究

摘要：為研究渦街流量計(jì)在管道周期振動(dòng)情況下的抗振性能，對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)，在氣體流量管道周期振動(dòng)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度和方向的試驗(yàn)。通過對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生儀表系數(shù)相對(duì)誤差的研究，得出模擬渦街流量計(jì)的抗振加速度，并分析了此時(shí)渦街流量傳感器輸出信號(hào)的品質(zhì)特征。*后，為與模擬渦街作比較，對(duì)凱銘生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗(yàn)，研究了數(shù)字渦街的抗振性能，并發(fā)現(xiàn)振動(dòng)倍頻信號(hào)是導(dǎo)致儀表系數(shù)相對(duì)誤差出現(xiàn)的主要原因。

1、引言

渦街流量計(jì)具有無可動(dòng)部件、對(duì)流體物性變化不敏感、適用于多種介質(zhì)、壓力損失小、輸出與流體流速成正比的脈沖信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)量和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中。但是，渦街流量計(jì)本質(zhì)上是流體振動(dòng)型流量計(jì)，它對(duì)機(jī)械振動(dòng)、流體的流動(dòng)狀態(tài)特別敏感，不僅可以感受傳感器受到的渦街力，還可以感受到傳感器受到的其他力，如管道周期振動(dòng)、流體脈動(dòng)以及流體的沖擊力等，這些干擾勢(shì)必會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)的正常計(jì)量產(chǎn)生很大影響。在流體脈動(dòng)方面研究較多，國(guó)外Hebrard等和Peters等研究了脈動(dòng)的流體對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的影響；國(guó)內(nèi)蒙建波等和徐科軍等借助仿真手段研究了周期性脈動(dòng)流條件下渦街流量傳感器輸出信號(hào)的頻率測(cè)量方法。Miau等還專門研究了沖擊振動(dòng)情況下對(duì)壓電式渦街流量計(jì)輸出的影響。而關(guān)于管道周期振動(dòng)方面，文獻(xiàn)很少，僅荷蘭T**-TPD流量中心對(duì)商用渦街流量計(jì)通過電流輸出誤差分析研究管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響?？墒枪艿乐芷谡駝?dòng)現(xiàn)象普遍存在于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵等動(dòng)力設(shè)備引起的管道振動(dòng))，而目前尚無有關(guān)渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本文擬定渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3%作為渦街流量計(jì)抗管道周期振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛使用的應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度的試驗(yàn)，研究其抗振性能，并分析了渦街信號(hào)品質(zhì)特性，*后對(duì)凱銘公司的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗(yàn)，分析其抗振性能。

2、試驗(yàn)裝置

氣體流量管道周期振動(dòng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。為避免氣體壓力波動(dòng)，圖中設(shè)備1先將空氣壓縮打人2中，經(jīng)3冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)4、5、7、10后，通向大氣。流量校準(zhǔn)采用渦輪標(biāo)準(zhǔn)表法，渦輪流量計(jì)內(nèi)徑50mm，流量范圍5～100m3/h，精度為1%。兩臺(tái)壓力變送器的精度均為2‰。

管道周期振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備由11、12組成，實(shí)物如圖2。11為激振設(shè)備，由振動(dòng)臺(tái)體和控制器組成，具有調(diào)頻(1～400Hz)、定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能，從而使不同加速度和頻率下的周期振動(dòng)試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。12為測(cè)振設(shè)備，采用壓電式加速度傳感器準(zhǔn)確測(cè)量渦街流量計(jì)所在處管道振動(dòng)狀態(tài)。由于振動(dòng)臺(tái)為單自由度，僅能產(chǎn)生垂直方向即圖1中Y方向管道振動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)水平方向管道振動(dòng)，將渦街流量計(jì)旋轉(zhuǎn)90°安裝如圖2(b)，此時(shí)，振動(dòng)臺(tái)工作方向相對(duì)于渦街流量計(jì)即實(shí)現(xiàn)了圖1所示的x方向。為避免管道振動(dòng)對(duì)渦輪標(biāo)準(zhǔn)表產(chǎn)生影響，在渦街流量計(jì)上游2.5m處加裝軟管以消除機(jī)械振動(dòng)。

3、模擬渦街流量計(jì)管道振動(dòng)試驗(yàn)

3.1管道振動(dòng)頻率的選擇管道的機(jī)械振動(dòng)大多數(shù)是由空壓機(jī)、離心泵所激勵(lì)的，這些設(shè)備本質(zhì)都是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，激振頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率密切相關(guān)?，F(xiàn)有電機(jī)的轉(zhuǎn)速大部分小于3000r/min，對(duì)應(yīng)的*大轉(zhuǎn)速頻率為50Hz。試驗(yàn)中選擇40Hz來模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道振動(dòng)頻率。

3.2抗振性能標(biāo)準(zhǔn)的擬定

渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是渦街流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)量的一個(gè)重要參數(shù)，其線性度好壞直接影響著渦街流量計(jì)測(cè)量的精度。鑒于目前渦街流量計(jì)的抗振標(biāo)準(zhǔn)尚未出現(xiàn)，且試驗(yàn)中使用的氣體渦街流量計(jì)精度為1.5級(jí)，本文擬定儀表系數(shù)相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3％作為渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3管道周期振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

以應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)為被測(cè)對(duì)象，在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下，分別進(jìn)行了無振動(dòng)和施加管道周期振動(dòng)的實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)。管道振動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较蚝退椒较?，加速度?.05-0.5g。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出不同管道振動(dòng)加速度下渦街儀表系數(shù)相對(duì)于無管道振動(dòng)時(shí)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差曲線，垂直方向結(jié)果如圖3(a)所示。

由圖3(a)可知，一方面，在相同的振動(dòng)加速度下不同流速對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量影響的程度是不同的。低流速時(shí)受管道振動(dòng)影響更加嚴(yán)重，渦街流量計(jì)輸出脈沖頻率即為管道振動(dòng)頻率，如振動(dòng)加速度較大時(shí)，5m/s處相對(duì)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(dòng)影響根據(jù)振動(dòng)加速度的不同可分為以下三種情況：

(1)管道振動(dòng)加速度為0.05g、0.1g時(shí)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速的升高而減小，*終減小至零；

(2)管道振動(dòng)加速度為0.2g時(shí)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速升高先增大后減小，*終減小至零；

(3)管道振動(dòng)加速度為0.5g時(shí)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨流速升高先增大后減小，但*終未減至零。

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(duì)交替作用在其上的升力的檢測(cè)獲得渦街頻率的，而升力與被測(cè)流體的密度和流速平方成正比。低流速時(shí)升力幅值小，易受到管道振動(dòng)的干擾，當(dāng)振動(dòng)加速度較大時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的幅值超過了渦街升力的幅值，有用信號(hào)完全被淹沒。只能檢測(cè)到管道振動(dòng)信號(hào)，故儀表系數(shù)相對(duì)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增長(zhǎng)，而管道振動(dòng)加速度不變即振動(dòng)幅值不變，故壓電探頭檢測(cè)到的混合信號(hào)中渦街有用信號(hào)逐漸顯露出來。當(dāng)管道振動(dòng)加速度為*(1)種情況時(shí)，渦街信號(hào)幅值隨流速升高而迅速增強(qiáng)，*終能夠抑制振動(dòng)信號(hào)使誤差減小至零。當(dāng)管道振動(dòng)加速度為(2)(3)情況時(shí)，在低流速下，檢測(cè)到的信號(hào)完全是振動(dòng)信號(hào)，以此固定的管道振動(dòng)頻率作為渦街輸出頻率，得出的儀表系數(shù)自然隨流速升高而減小，導(dǎo)致相對(duì)誤差增大；隨著流速的升高，渦街信號(hào)幅度增大，信噪比提高，相對(duì)誤差隨之減小，而振動(dòng)加速度為0.5g時(shí)振動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，渦街信號(hào)幅值隨流速升高雖有大幅提升，但仍無法完全抑制振動(dòng)信號(hào)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差有所減小，但未減至零。

另一方面，除*低流速點(diǎn)外，相同流速下儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨振動(dòng)加速度的增加而增大，這是由于振動(dòng)加速度的增加導(dǎo)致管道振動(dòng)干擾的幅度變大，對(duì)渦街流量計(jì)脈沖輸出造成更加惡劣的影響。

為了對(duì)比不同方向管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響，將管道振動(dòng)改為水平方向重新進(jìn)行試驗(yàn)，得到圖3(b)曲線。通過與圖3(a)比較，發(fā)現(xiàn)兩種情況下流速及振動(dòng)加速度對(duì)儀表系數(shù)相對(duì)誤差的影響趨勢(shì)類似。依據(jù)先前擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力式模擬

渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的性能較差，垂直方向抗振加速度為0.05g，水平方向抗振加速度小于0.05g。

3.4渦街信號(hào)品質(zhì)分析

為了觀測(cè)管道周期振動(dòng)下渦街流量信號(hào)的特征，利用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡對(duì)渦街正弦信號(hào)進(jìn)行采樣。以垂直方向管道振動(dòng)加速度為0.1g為例，給出了不同流速下渦街信號(hào)的時(shí)頻域圖，如圖4所示。由時(shí)域部分可知，管道振動(dòng)下渦街流量傳感器輸出的信號(hào)為真實(shí)旋渦脫落信號(hào)和管道振動(dòng)信號(hào)的合成信號(hào)。低流速(≤1lm/s)時(shí)，管道振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)、占主要成分，渦街信號(hào)疊加在其上；隨著流速變大(11～20.5m/s)，渦街信號(hào)逐漸顯露出來成為主要成分、淹沒振動(dòng)信號(hào)。由頻域可知，振動(dòng)信號(hào)成分較單一，呈尖峰狀，幅值為定值，不隨流速變化而變，除40Hz基頻外還有2、3倍頻出現(xiàn)；而渦街信號(hào)成分稍復(fù)雜，呈塔峰狀，幅值隨流速變大而迅速增強(qiáng)，頻譜能量占總能量比重也隨流速增加而變大。

為了定量地分析管道振動(dòng)下渦街信號(hào)的質(zhì)量，引用參數(shù)Sq：

Sq=10In（Ps/Pn）（1）

式中：Ps為渦街頻率帶0.96f～1.04f范圍內(nèi)的信號(hào)能量；PN為總能量減去Ps后的能量；f為頻譜分析得到的渦街頻率值。Sq為正或負(fù)，說明渦街頻率帶的能量大于或小于其它頻帶的能量。

圖5給出了不同管道振動(dòng)加速度下渦街信號(hào)品質(zhì)隨流速變化的情況。不論振動(dòng)加速度如何變換，Sq的變化趨勢(shì)都是隨著流速的增加而變大，但Sq何時(shí)由負(fù)變正，則與振動(dòng)加速度密切相關(guān)。相同流速下，管道振動(dòng)加速度越大，Sq值越小，渦街信號(hào)品質(zhì)越差。Sq小于零時(shí)，表明由振動(dòng)引起的其他頻帶能量大于渦街頻帶能量，且Sq絕對(duì)值越大，渦街信號(hào)品質(zhì)越差，渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差越大；Sq大于零時(shí)，表明渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量，管道振動(dòng)對(duì)渦街信號(hào)影響較小，且Sq值越大，渦街信號(hào)品質(zhì)越好，渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差越小。這也與圖3(a)得到的試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

4、數(shù)字渦街流量計(jì)管道振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

為了與應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)抗振性能進(jìn)行對(duì)比，本文還選用了凱銘公司生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行相同條件下的管道周期振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果整理如圖6、7。

由圖可知，凱銘數(shù)字渦街能將真實(shí)渦街信號(hào)辨識(shí)出來，但當(dāng)管道振動(dòng)加速度增大時(shí)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差明顯增大，也出現(xiàn)了同應(yīng)力式模擬渦街相類似的先增大后減小的情況，而且水平方向相對(duì)誤差大于垂直方向。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，采用了SSP技術(shù)的凱銘數(shù)字渦街已將管道振動(dòng)信號(hào)基頻40Hz濾除，而較大的相對(duì)誤差是由于管道振動(dòng)的倍頻信號(hào)所引起的。同樣，ABB數(shù)字渦街也出現(xiàn)了同凱銘渦街相類似的試驗(yàn)結(jié)果，且由振動(dòng)倍頻信號(hào)導(dǎo)致的相對(duì)誤差更大。出現(xiàn)倍頻信號(hào)的原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：*一，施振裝置本身產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)并不是純凈的，其中夾雜著設(shè)定頻率振動(dòng)信號(hào)的倍頻信號(hào)；*二，管道的安裝、連接過程中，螺絲的松動(dòng)、不平衡、不對(duì)中等都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照前文擬定的抗振標(biāo)準(zhǔn)，凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)均為0.1g，ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向?yàn)?.05g。

5、結(jié)論

(1)在相同的管道振動(dòng)加速度下，不同流速對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量影響的程度不同，相同流速下儀表系數(shù)相對(duì)誤差隨管道振動(dòng)加速度的增加而增大。

(2)應(yīng)力式模擬渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)的性能較差，垂直方向抗振加速度為0.05g，水平方向抗振加速度小于0.05g。

(3)凱銘和ABB數(shù)字渦街流量計(jì)均能濾除管道振動(dòng)基頻信號(hào)，但對(duì)管道振動(dòng)倍頻信號(hào)無后續(xù)處理。導(dǎo)致管道振動(dòng)加速度增加時(shí)儀表系數(shù)相對(duì)誤差變大。凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)加速度均為0.1g，ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向?yàn)?.05g。