流体振动流量计的抗干扰研究

　　0　引言

　　利用流体振动原理设计的多种涡街和旋进流量计已被广泛应用于气体和液体计量领域。近30年的应用证明了其在稳定流体计量中的可靠性和精确性。这些流量计具有精度高、线性度好、量程宽、内部结构简单、无机械可动部件、耐脏、防卡等优点;与容积式和叶轮式流量计相比,它具有更好的介质适应性。然而,在许多潜在的应用领域中,流速的不稳定性和压力的波动导致信噪比下降,严重影响了流量计的使用效果[1-3]。尤其在小流量计量时,旋涡振动的频率和强度与管道本身的压力波动或机械振动的频率和强度相近,甚至前者弱于后者。因此,在压力波动干扰和机械振动干扰较大的场合,该类流量计无法准确计量小流量,尤其在靠近主管线出口的支管线上安装的流量计,往往受到邻近管道流态的干扰,甚至在无流体流过时,流量计也会错误地检测到压力波动干扰信号或机械振动干扰信号,导致“流量计零流量计数”等缺陷。这就大大限制了流量计的使用场合。

　　在过去10年中,人们做了大量的工作,试图改善这种流量计的抗干扰性能。Kawano通过增强钝体硬度和使用微处理器控制的自适应低通滤波方法来改善流量计的信噪比,并采用了自适应低频信号截止辨识器,使流量计的可靠性得到明显改善[4]。Amadi-E研究了工作条件对旋涡脱落的影响,并采用了信号处理和系统辨识技术来提高流量计的精度[5-6]。国内外对于流体振动流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[7]、谱分析法、小波变换法等[8]。它们对提高抗干扰性起到了一定作用,但仍需进一步提高;针对此问题,研究了旋涡脱落诱发流体振动及旋涡进动的特性。结果表明,在流道的有限区域内,存在流体振动强度相近、频率相同、但相位差为180°的振动点,而对于压力波动或管壁振动等干扰信号,其相位差却为0°。因此,采用差动式压电传感器技术,并经特殊电路处理,成功研制了抗压力波动干扰和抗机械振动能力极强的涡街和旋进流量计。

　　1　流场仿真

　　仿真过程中,采用了先进的Gambit网格预处理软件生成流体域的非结构化网格,并利用Fluent仿真软件结果的自适应功能,依据速度和压力的计算结果,对初始网格进行精细化处理,以获得较高的流场计算精度。图1所示的是旋进式流场仿真结果。

　　仿真结果表明,对于旋进式流量计,流体进入流量计入口后,在旋涡发生体作用下,被强迫沿流道方向作剧烈旋转,进入节流管道,从而产生加速。旋流在扩大部分被减速,压力上升导致旋涡发生旋进运动。由于旋进运动,旋涡偏离中心轴旋转,导致旋涡体内压力分布不均匀,其中旋涡中心的压力最低。