利用差压原理的涡街信号检测方法研究

　　在流量测量仪表中,涡街流量计具有量程宽,无可动部件,运行可靠,维护简单,压力损失小等优点,因而受到了普遍欢迎,发展非常迅速,应用日渐广泛.但在测量过程中,由于管道机械振动和流场不稳定,使流量计输出信号中叠加各种噪声,影响测量精度,限制了在不稳定流体计量中的应用.本文提出了利用差压原理检测涡街信号的新方法,较好地抵抗了噪声影响,提高了测量精度.

　　1　涡街流量计测量原理

　　涡街流量计的测量原理如图1所示.在流体管道中插入一定形状的漩涡发生体,当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的漩涡,有如街区道路两旁的路灯,故又称“涡街”.经过推导,涡街频率f和流体流速v之间满足下述关系:

　　式(1)中,St为斯特罗哈尔数,d是漩涡发生体迎流方向的有效宽度.由实验可知,在雷诺数Re为2×104～7×106范围内,St基本保持不变,可以认为是常数.流经管道的流体体积流量Q为

　　式(2)中,D为管道内径.式(2)即为涡街流量计的测量依据.在一定雷诺数范围内,流量Q和涡街频率f成线性关系,只要测出f,就能求得Q.

　　涡街频率测量方法较多,根据检测原理不同主要有热敏式、超声式、电容式、压电式等.这些方法各有特点,又都有一定局限性.其中采用压电元件的应力检测方式测量旋涡频率是目前涡街流量计中广泛采用的方式.它将漩涡产生的交替变化的压力转换为压电传感器电荷信号,电荷变化频率与漩涡脱落频率一致,交变电荷经电子线路处理后得到漩涡频率,进而得到流体流量.它的优点是压电传感器响应快,信号强,工艺性好,与测量介质不接触等.

　　采用压电元件的应力检测方式测量旋涡频率,其缺点是耐振性差.在工业现场应用时,常会受到管道及附近设备的振动和流体的速度脉动的影响,降低了测量精度,甚至不能正确测量.近年来,国内外在这方面都开展了相应的研究,如J.J.Miau等研究人员从传感器结构上入手,通过实验证明改进压电元件的安装固定方式,能有效降低对外界振动的灵敏度[1]. Amadi-Echendu、谢宇怀、徐科军等从信号分析角度,提出应用各种频谱分析方法对信号进行处理,可提高测量精度[2-4].但这些方法都难以从根本上解决噪声干扰的问题.

　　2　利用差压检测涡街信号原理

　　对漩涡发生体周围流场特性进行研究,仿真计算和实验表明,流体流过发生体后产生的漩涡从发生体两侧交替脱离,漩涡中心的压力较低,并沿径向递增,因此漩涡的运动将在发生体尾流中诱发流体振动,并且在流道轴线与发生体轴线构成平面的对称点上,流体振动的强度和频率相同,而相位相差180°.根据这一结果,我们提出在发生体两侧安装压力传感器,组成差动取压方式,测量压力波动,得到漩涡频率.传感器结构如图2所示.传感器在管道轴向安装位置确定在发生体两侧漩涡分离处,还基于下述原因:(1)仿真结果表明,在这一位置流体振动强度是最强的;(2)因为安装点正好在漩涡分离处,这时测量到的压力波动信号完全反映了与下游涡街密切相关的流体分离层的实时状态,能很好地检出涡街频率;(3)下游的机械振动、流场的不稳定等干扰信号对检测信号无影响.