高抗干扰性能涡街流量计传感器的研究

　　涡街流量计是利用旋涡脱离诱发流体振动的原理实现流量的计量,其主要特点是:无运动部件,因此不必考虑流体中杂质对流量计的物理损害,从而极大地拓展了精密流量计的应用范围,并有良好的线性度、较大的量程和很强的介质适应性,可用于不同流体的稳态和瞬态流量的精确计量.此外,它还有具有压力损失小、可靠性高、维护方便和不受流体组成、密度、温度、压力影响等优点,是测量气体、液体、蒸汽、混合型和腐蚀性流体的理想的流量计.

　　但是,涡街流量计存在两大缺陷:(1)小流量信噪比低;(2)抗干扰性能差.其中抗干扰性能是衡量一台工业涡街流量计应用好坏的一个重要指标.目前很多工业用户之所以对涡街流量计的应用失去信心,是因为在实际应用中,工业振动是普遍存在的;而一般的工业振动频率大都在几赫兹到几千赫兹之间,涡街流量计的旋涡分离频率正好落在这个范围之内.

　　近10年来,针对以上问题国内外学者做了大量的研究,并且大部分研究主要是从信号处理的角度出发.如采用自适应谱分析方法对涡街信号进行处理以提高涡街流量计的抗噪能力[1],又如根据实验数据对涡街流量产生的信号建立数学模型将谱预测的方法运用到涡街流量计上,用以提高涡街流量计的抗干扰性能,使计量精度和可靠性得到提高.除通过信号处理的技术外,人们还从传感器方面寻找改善涡街流量计性能的思路,如通过改进压电传感器达到减弱管道振动对涡街流量计影响的目的[2,3].

　　1　悬浮式差动传感器的设计

　　1.1　流量传感器干扰噪声分析

　　涡街流量计是根据卡门旋涡频率实现流量测量的流量计.在具有旋涡发生体的流场中,当两旋涡列之间的距离h与同列的两旋涡之间的距离L之比满足h/L=0.281时,形成卡门涡街如图1所示.大量实验证明:在一定的雷诺数范围内,稳定的旋涡发生频率f与旋涡发生体侧流速u与旋涡发生体的柱宽d有如下确定的关系:f =(u/d)St.式中St为斯特劳哈尔数(无纲量),对于一定形状的旋涡发生体,在一定的雷诺数范围内是一个常数.由于流体流量与其流速之间存在线性关系,所以通过测量旋涡发生引起的流体振动频率,即可实现对流体流量的测量.

　　由涡街流量计的工作原理可见,涡街流量计是利用流体自身振动实现流体的测量的.而待测系统中存在的压力脉动或外界的振动源和噪声源也会引起待测系统中流体的振动,这些外来的振动信号,或改变旋涡振动频率,或直接进入二次仪表,造成计量误差.理想情况下,涡街流量计输出正弦波信号,但实际上由于流体流动噪声、机械振动噪声等干扰的影响,它远非理想的正弦波信号,而是一个混有强噪声的混合信号[4].