提出了利用FFT相位判別來消除流場脈動干擾對旋進旋渦流量計測量影響的方法,研究了流體脈動對旋進旋渦流量計旋進旋渦效應特性的影響,在流量計實驗裝置上對50mm口徑旋進旋渦流量計進行了實驗研究。實驗表明:流體脈動干擾壓力與旋進旋渦效應的脈動壓力間存在線性迭加關系以及流場脈動干擾使旋進旋渦流量計傳感器輸出產生主頻移動現象。數值實驗表明了本方法的有效性。

　旋進旋渦流量計是一種新型的流體振動流量計。其主要特點是無活動部件,對測量介質的適應性廣,線性測量范圍寬,可應用于氣體、液體和蒸汽的計量。但旋進旋渦的強度較弱,當待測系統附近有振動或噪聲源,或流體內部波動或管壁振動時,其計量精度就會受到明顯的影響[1～4]。對待測流體及其環境條件的苛刻要求,極大地限制了其工業應用。為此,人們從不同角度進行了研究,歸納起來,主要是從兩條途徑進行研究:

　　(1)針對流體振動型流量計目前采用的放大、濾波、整形和計數的方法,不能從含有管道的機械振動和流場的不穩定等噪聲信號中準確提取頻率信息,以至于流量計現場的測量精度達不到指標規定的要求。人們提出采用數字信號處理方法處理流量傳感器的信號,其主要包括:基于FFT(快速傅立葉變換)的周期圖法[5],自適應陷波濾波方法[6],互相關方法[7],數字跟蹤濾波方法[8～11]和小波變換方法[12]。雖然上述方法對解決測量現場外界干擾引起的傳感器輸出信號中波形畸變而導致的傳統二次儀表計數誤差是有效的,但沒有考慮到由于流體脈動干擾引起的主頻移動現象的影響。

　　(2)針對旋進旋渦流量計旋進旋渦效應脈動壓力的相差現象,人們提出利用對稱信號差分處理來解決旋進旋渦流量計抗干擾問題。1991年Hein Richs做了用集成差分傳感器降低旋進旋渦流量計量程下限的實驗研究[13];2000年傅新等人用流體力學仿真對旋進旋渦流量計的流場特性進行了研究,進而提出對稱信號差分處理抗干擾的思路[14]。但簡單的軸對稱信號差分處理只能解決相位和幅值都相同的共模噪聲對傳感器輸出信號波形的影響;并且由于其對安裝工藝和傳感器的極其嚴格的對稱要求,使該方法在工業上的使用受到極大限制。

　　本文就流場干擾對旋進旋渦流量計流場進動效應的影響進行了實驗研究。明確了流體脈動干擾壓力與旋進旋渦效應的脈動壓力的線性迭加關系以及流場脈動干擾使旋進旋渦流量計傳感器輸出產生主頻移動現象;并且對旋進旋渦有效信號和脈動干擾信號進行相位分析,得出對稱軸線旋進旋渦有效信號具有接近180°相位差,而流體脈動干擾信號接近0°相位差的結論。分析了現在采用的數字信號頻率提取和對稱差分信號處理的缺點,在此基礎上提出基于FFT相位判別的旋進旋渦流量計抗流場脈動干擾方法,并給出仿真結果。

　　2　旋進旋渦流量計的原理[1～4]

　　旋進旋渦流量計是通過測量流體的旋進旋渦效應脈動壓力頻率來得到流體體積的流量計。圖1為旋進旋渦流量計的原理圖。

　　流體經過固定旋渦發生葉片產生一個旋轉運動,附加一個切向的速度到軸向運動的流體,這樣就產生了連續的旋渦系列而構成一個旋渦流,稱之為“渦勢”,其中心為旋渦核(旋渦中心流),外圍為環流,其流經變送器收縮段時渦流加速,此時,渦核直徑沿流動方向逐漸縮小,旋渦強度逐漸加強,達到擴大段時,由于旋渦急劇減速,壓力上升,旋渦中心區的壓力比周圍低,于是就產生了回流。在回流的作用下,旋渦流偏離原前進方向,迫使渦核在擴大段作一種類似陀螺的運動,旋渦流的進動是貼近擴大段的壁面進行的。由于旋進旋渦頻率與流體的流速成正比,因此,測得旋進旋渦頻率即能反映出流速和體積流量的大小。

　　3　流場脈動干擾對旋進旋渦流量計測量影響實驗研究

　　3.1　實驗測試系統

　　圖2所示為實驗裝置及測試系統原理圖。實驗裝置為氣體流量實驗系統,它由5個部分組成。Ⅰ——流場干擾模擬裝置,用于在實驗室條件下模擬流場波動;Ⅱ——實驗表體;Ⅲ——標準流量校準裝置,采用臨界流文丘利噴嘴流量計作為校準其它儀表的基準;Ⅳ——壓差產生裝置,通過真空泵產生負壓,入口和出口之間產生一個壓差,形成小型風洞;Ⅴ——計算機測試系統,用于測量傳感器的輸出,主要由電荷放大器及用于采樣計算的美國DACTRON公司Photo便攜式動態信號分析儀(該分析儀的主要特性和性能指標:4個輸入通道, 1個輸出通道; 120MHz TMS320VC33DSP,21kHz處理率;32位浮點DSP;ICP傳感器供電;USB接口,支持熱插拔;重量小于200g,抗振動外殼)和計算機所組成。

　　3.2　實驗條件

　　實驗傳感器采用上海測試技術研究院生產的直徑7mm壓電式壓力傳感器,其固有頻率響應可達幾十kHz。實驗節流時間大于15s。實驗的體積流量范圍可從5.5～220.5m3/h(對應雷諾數Re=2595～1.0404×105)間斷分布。實驗的管道內徑50mm。為得到充分發展的湍流,實驗段的入口直管道長度為800mm(>10d),在無周期擾動并無旋進旋渦的狀態下的流動狀態是充分發展的湍流。

　　3.3　實驗結果及討論

　　為研究流場脈動對旋進旋渦流量計測量的影響,分別對脈動流在直管道中的傳播特性及脈動流場中旋進旋渦流量計測量特性進行實驗研究。

　　3.3.1　脈動流管道傳播特性實驗

　　圖3為脈動流管道傳播實驗示意圖。對稱于軸線安裝兩個傳感器,以便于了解對稱于軸線兩側的流體脈動流特性。

　　圖4,圖5是典型的同一擾動頻率下不同流量脈動流管道傳播特性曲線(圖中Q是流量,fd是流場干擾模擬裝置擾動頻率)。脈動流管道傳播基本特性與擾動頻率無關。

 　從實驗結果可以得出以下結論:

　　(1)在相同擾動頻率下,不同流量的流體壓力脈動是不相同的,但其頻域主頻是相同的,幅值隨流量的增加而增大。在同一流量下,對稱軸線兩側的壓力脈動的相差接近于零,而且波動的強度相近。

　　(2)管道的壓力脈動頻率和擾動的頻率是不一樣的,管道流壓力脈動頻率高于擾動頻率。這是由于流體壓力的擾動和管道耦合作用所產生流體波動的頻率高于擾動的頻率。

　　3.3.2　旋進旋渦流量計均勻流、脈動流實驗

　　圖6為旋進旋渦流量計均勻流、脈動流測量示意圖,對稱于軸線安裝兩個傳感器,以便于了解對稱于軸線兩側的旋進旋渦特性。

　　圖7,圖8是典型旋進旋渦流量計均勻流、脈動流測量實驗結果。圖9是不同干擾頻率下旋進旋渦流量計旋進旋渦壓力脈動主頻與流量的校準曲線。圖10是脈動流測量相對誤差曲線,這里定義頻率相對誤差δ=(FQfd-FQ0)/FQ0;其中FQfd是流量Q下擾動頻率為fd時的旋進旋渦頻率,FQ0為流量Q下均勻流中旋進旋渦頻率。

　　從上面的實驗結果可以看出:

　　流體脈動干擾會使旋進旋渦流量計脈動流的測量發生移頻現象,這一現象主要出現在流量比較小的情況下。頻率移動的程度隨擾動頻率的提高而增強,最大的偏差可達500%左右。故在此種情況下通過數字信號處理提取頻率信號將失效,無法得到正確的流量。移頻現象所對應的頻率是流體脈動干擾所產生的壓力脈動頻率。