周期性脉动流对涡街流量计的影响及解决方法

　　1　引　言

　　在过程控制和流体计量中,涡街流量计应用相当广泛。涡街流量计本质上是一种流体振动型流量计,因此易受测量现场的机械振动和不稳定流场等噪声的干扰,测量精度往往得不到保证。如何从含有噪声的信号中提取流量信息,是流量测量一直没能很好解决的难题。现场的噪声各种各样,其中,脉动流是一种对测量精度影响较大的噪声干扰。笔者根据国外研究成果,从理论上分析了脉动流干扰下涡街传感器的输出信号,采用贝塞耳函数分解出涡街流量信号频率和脉动干扰频率,分析流体脉动对涡街流量计测量的影响;说明了在脉动流干扰下出现的锁定现象;提出了提高流量计测量精度的方法。

　　2　脉动流对测量的影响

　　2·1　涡街流量计测量原理

　　涡街流量计是基于“卡门涡街”原理的流体振动型流量计,压电传感器表体内有一个漩涡发生体,当流体流过漩涡发生体时,在其后部两侧交替产生两列漩涡,一侧漩涡分离的频率与流体的流速成正比。

　　f=Stν(1-1·25d/D)d(2—1)

　　其中,f为漩涡分离频率(Hz);ν为管道内流体的平均流速(m/s);St为斯特罗哈常数;d为漩涡发生体迎流面宽度(m);D为管道内径(m)。

　　漩涡的分离频率在一定雷诺数范围内与通过管道的流体流量成线性关系:

　　因而,通过测量漩涡分离频率,就可知道流体的流速,测出通过管道的流体的流量。

　　2·2　脉动流条件下涡街流量计测量结果

　　在流体稳定流动条件下,压电传感器输出的电压信号为正弦波。正弦波的频率与流体的流速成正比,幅度与流体的密度和速度的平方成正比。y(t)=Asin(2πfνst)=Asinφ(2—3)

　　式中,fνs是涡街信号的瞬时频率。因为dφdt=2πfνs,所以:

　　φ=∫t02πfνsdt (2—4)

　　流体稳定流动状态下,管道内流体流动平均速度为ν。在脉动流作用下,管道内流体的流速叠加了随时间周期变化的脉动分量[1]:

　　ν(t)=ν+Δνcos(2πfpt)=ν+Δνν·νcos(2πfpt)(2—5)

　　式中,Δν为流体脉动时偏离稳态流速的最大幅度,fp为脉动频率。

　　因为漩涡分离频率与管道内流体流动速度成正比,所以脉动流条件下的漩涡分离的瞬时频率为:

　　流体脉动条件下,涡街流量计输出信号叠加了调频噪声。从公式(2—10)可以看出,输出信号的频谱包含以涡街信号主频率fνs为中心的较宽的频带,fνs左右两则对称分布了无穷多边频分量,边频分量和主频分量之间的间隔恰为脉动频率的整数倍,它们的幅度大小由对应的各阶贝塞耳函数所决定。脉动系数β也是一个重要的参数,它的大小变化对输出信号的频谱结构有着重要的作用。由贝塞耳函数曲线(如图2—1所示)可知,当β≤1时,只有J0(β)和J1(β)有比较大的数值,而J2(β),J3(β)等均可以忽略,因此,输出信号的频谱实际上只有ωνs和wνs±nwp组成。当β>1时,随着β的增大,边频分量数目增多。