涡街流量计信号处理方法与系统的研究现状

　　0　引言

　　涡街流量计是20世纪60年代末期发展起来的一种基于流体振动原理的流量计。20世纪70年代初,商品化的涡街流量计首次在日本出现。近30年的工业应用证明了涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性,不仅如此,它的优点还包括仪表内无机械可动部件,被测流体本身就是振动体,性能可靠;使用寿命长;测量流量几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响;可以适用液体、气体和蒸气的测量,介质适应性宽,测量精度较高;压力损失小,量程比宽;可直接输出数字信号等。

　　涡街流量计本质上是流体振动型流量计,因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感,它不仅可以感受传感器受到的涡街力,还可以感受到传感器受到的其他力,如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化,产生的随机脉动压力等,现场的干扰对流量测量产生很大的影响。目前,将涡街流量计用于流量测量,需要研究的关键性问题:一是抑制流场噪声的影响,流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响,而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响。附加的漩涡干扰了涡街信号,降低了信噪比;二是准确测量小流量,因为小流量所产生的横向升力较小,检测信号非常微弱,易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响,存在一个量程下限死区,从而造成量程比受限,小流量不能测量。例如涡街流量计的理论量程比为100∶1,而目前实际的量程比最大的为10∶1。

　　国内外的专家学者为解决涡街流量计应用中的关键性问题,作了大量的工作,取得了显著的成绩,推进了涡街流量计的研究。

　　1　国内外研究状况

　　为了改善流量计的抗干扰性能,降低它的量程下限,国内外研究学者做了大量的工作,归纳起来主要在三个方面:①研究漩涡发生体的形状对流量计性能的影响。Pankain从优化非流线体几何结构和传感器安装位置的角度,研究了提高信号质量、频率稳定性和流量计线性度的方法[1];②研究涡街流量计工作环境流体状态的影响。Mottram和Rawat研究了脉动的流体对涡街流量计测量精度的影响[2]。Laneville研究了漩流的情况对流量计输出信号的影响[3];③将数字信号处理方法应用于流量计,处理传感器的输出信号,提取涡街信号频率。数字信号处理方法应用于涡街流量计,可以解决流量测量中存在的一些难题,是目前新技术流量计发展的主要方向。本文重点论述数字信号处理方法在涡街流量计中的应用。

　　1.1　国外研究状况

　　1990年,Schlatter等人研究了涡街流量计工作条件下的噪声情况,提出了强干扰条件下信号处理方案[4]。这种强噪声具有以下特点:①幅值与涡街信号的幅度相当或高于涡街信号;②频率在涡街信号频率范围内;③当管道等一定时,噪声频率是确定的。但噪声信号和涡街流量信号特性不同,在实际测量中,涡街信号在时间轴上是缓慢变化的,变换到频域,结果是一宽带信号。对于固定的管道,噪声是恒定的,变换到频域是一窄带波形。在建立噪声模板和信号模板的基础上,提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除流量测量中的强噪声,即利用互相关方法,检测出噪声,从而消除噪声,再利用频谱分析得到涡街信号的准确频率,同时研制了以微处理器(TMS320C10)为核心的测量装置。但是,这种方法只针对某种特定的噪声,实际中噪声情况多种多样,不易获得所有噪声的模板。