涡街流量传感器压电探头位置试验研究

　　1　引言

　　涡街流量传感器近三十年才迅速发展,因此对它的研究仍在继续,在保证计量精度的基础上努力扩展测量下限以及提高抗干扰性。学者们从各个角度对其进行了深入研究:(1)旋涡发生体形状研究。要求流体经过旋涡发生体时可以产生稳定且强烈的旋涡,先后出现了梯形柱、T型柱等单旋涡发生体[1,2],还有不同形状组合的双钝体[3],钝体间距也成为研究的关键;(2)旋涡检测方式研究。要求保证检测灵敏度高、抗干扰性好。根据涡街形成和分离过程中出现的物理现象及规律,研究出热敏、超声、电容、应变、应力式等检测涡街信号的方法[4,5];(3)信号处理方法研究。通过软件上的处理来补偿硬件上检测出的非理想涡街信号。一些数字信号处理方法应运而生[6,7],如快速傅里叶变换、小波分析、自适应滤波等都有效地滤除了干扰信号,不仅可精确地检测出流量而且扩展了测量下限。可见,要想提高涡街流量传感器的测量品质,需要对各个环节分析研究,如果每一个环节都能达到最优,那么设计出的传感器就能达到全局最优。

　　因此,涡街流量传感器设计成为研究的另一个重点。工业现场常用的涡街传感器采用梯形柱旋涡发生体、压电应力式检测方法,其结构尺寸都有经验值,大部分涡街传感器中旋涡发生体与压电探头相互分离。从试验中发现,对这种分离型压电式涡街流量传感器,压电探头位置对涡街信号的检测有很大影响,如果将探头放置在旋涡较强的位置,涡街传感器的测量下限还会降低。所以,旋涡检测位置与检测出的信号质量密切相关。关于这方面的研究报道很少,因此本工作将重点放在压电探头位置的研究上,首先在流体力学实验室的水槽、风洞中验证试验方法的可行性,得到初步试验结论以及涡街流场特性。在此基础上,通过试验进一步研究管道中不同探头位置的信号特点,并结合流场数值仿真和理论分析对两种试验条件下的试验现象进行解释。最终确定管道中压电探头的最佳检测位置,并通过实际标定试验验证结论。

　　2　二维涡街流动

　　首先选择在近似二维流场中进行试验,来验证压电探头位置与涡街信号质量存在密切关系。分别在水槽和风洞中进行了试验。

　　2·1　水槽试验

　　水槽为天津大学流体力学实验室开放式循环水槽,试验装置设计如图1所示,槽宽0·25m,深0·4m,实验段长度约为2m。流体(水)自左向右流动,首先通过毕托管测出来流的平均流速,流速的读取通过斜管差压计获得。然后流体通过旋涡发生体,为了克服水槽边壁以及底部对涡街信号的影响,把发生体设计成与水槽同深,放置在水槽中央,压电探头放置在发生体正后方、检测水槽深度为一半的位置。探头固定在三维坐标架上,通过移动坐标架上的位置来改变探头与发生体之间的距离。需要说明的是,文章中所有提及探头与发生体之间距离是指压电探头中心与发生体尾部之间的距离r,如图2所示,其中d表示发生体宽度。最后,压电探头检测出的涡街信号通过放大电路和AD采集卡输入到计算机中保存。分别对三种宽度的梯形柱旋涡发生体(按照DN50,d=14 mm;DN80,d=22·5mm;DN100,d=28 mm三种口径传感器中发生体尺寸制作)进行了试验,通过调整r,采集不同位置时的涡街信号进行分析。