涡街流量计信号能量的功率谱式表征与应用

　　作为一类测量精度较高、压力损失较小的新型流量仪表, 涡街流量计目前已被广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量测量[ 1] . 由于它同时具有结构简单、无可动部件、量程比宽和对被测介质物性变化不敏感等特点, 近年来涡街流量计发展速度之快、应用范围之广是许多流量仪表所不及的. 但是, 同时还应当看到, 虽然涡街流量计经历了30 多年的发展, 但它尚属发展中的仪表, 理论基础和实践经验都有待深化和积累, 各种检测技术的应用也有待完善[ 2] . 因此, 研究涡街流量计并不断改良其测量性能具有重要的实际意义. 目前对于涡街流量计的研究主要集中在流量信号的准确提取和旋涡发生体的优化. 一方面, 从本质上讲涡街流量计属于流体振动型流量计,因此在工业现场使用时, 管道及各种设备振动引起的干扰不可避免地会叠加到测量信号上, 从而使得其测量精度降低. 要准确地获得涡街流量信号必须有效地去除其中的噪声成分, 因此将各种信号处理方法用于涡街流量计信号的去噪成为研究热点之一[3-5] . 另一方面, 涡街流量计的流量特性( 如仪表系数、线性度、重复性、范围度) 和阻力特性都与旋涡发生体的形状和几何参数密切相关, 旋涡发生体被视为涡街流量计的核心部件. 而目前对于发生体的设计尚无严密的理论, 也无系统的计算方法, 大多是以实验为依据来确定发生体的形状和参数. 所以优化设计旋涡发生体的形状和几何参数成为涡街流量计研究的又一热点[ 6-7] . 此外, 不少研究者还在利用涡街流量计实现质量流量的直接测量方面做了很有意义的探索工作[ 8-11] .

　　在涡街流量计中不管采用什么方式或元件来检测旋涡, 对于它们的研究都依赖于对涡街流量计信号本质的研究. 如前所指出, 由于各种干扰的叠加, 涡街流量计输出信号可看成一复合信号, 实际的流量信号只是其中的一个分量, 因此, 正确表征并研究涡街流量计中实际流量信号的规律, 能够加深人们对于涡街现象的认识, 有助于涡街流量计的优化设计.

　　基于以上目的, 本文对实验测得的被测介质分别为水和空气的涡街流量计信号进行了功率谱分析. 不同于一般以求取信号频率为目的的谱分析方法, 作者把研究的重点放在功率谱的幅度上, 用功率谱的幅度值定义了涡街流量计信号的能量, 即涡街流量计信号能量的功率谱式表征; 同时提出了一个新的参数——涡街信号功率谱能量比, 讨论了实际流量信号( 即对应于功率谱的主峰成分) 在整个涡街流量计输出信号中的能量随被测介质和流量的变化规律, 并试图将它用于涡街流量计中检测元件位置的优化.

　　1 功率谱分析及其幅度