渦街流量計抗管道周期振動性能的試驗研究

摘要：為研究渦街流量計在管道周期振動情況下的抗振性能，對國內(nèi)廣泛應(yīng)用的應(yīng)力式模擬渦街流量計，在氣體流量管道周期振動試驗裝置上進行了不同振動加速度和方向的試驗。通過對振動產(chǎn)生儀表系數(shù)相對誤差的研究，得出模擬渦街流量計的抗振加速度，并分析了此時渦街流量傳感器輸出信號的品質(zhì)特征。*后，為與模擬渦街作比較，對凱銘生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計進行了相同的管道周期振動試驗，研究了數(shù)字渦街的抗振性能，并發(fā)現(xiàn)振動倍頻信號是導致儀表系數(shù)相對誤差出現(xiàn)的主要原因。

1、引言

渦街流量計具有無可動部件、對流體物性變化不敏感、適用于多種介質(zhì)、壓力損失小、輸出與流體流速成正比的脈沖信號等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于計量和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中。但是，渦街流量計本質(zhì)上是流體振動型流量計，它對機械振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感，不僅可以感受傳感器受到的渦街力，還可以感受到傳感器受到的其他力，如管道周期振動、流體脈動以及流體的沖擊力等，這些干擾勢必會對渦街流量計的正常計量產(chǎn)生很大影響。在流體脈動方面研究較多，國外Hebrard等和Peters等研究了脈動的流體對渦街流量計測量精度的影響；國內(nèi)蒙建波等和徐科軍等借助仿真手段研究了周期性脈動流條件下渦街流量傳感器輸出信號的頻率測量方法。Miau等還專門研究了沖擊振動情況下對壓電式渦街流量計輸出的影響。而關(guān)于管道周期振動方面，文獻很少，僅荷蘭T**-TPD流量中心對商用渦街流量計通過電流輸出誤差分析研究管道振動對測量產(chǎn)生的影響?？墒枪艿乐芷谡駝蝇F(xiàn)象普遍存在于工業(yè)現(xiàn)場(如壓縮機、鼓風機、泵等動力設(shè)備引起的管道振動)，而目前尚無有關(guān)渦街流量計抗管道周期振動的統(tǒng)一標準。

本文擬定渦街流量計儀表系數(shù)相對誤差絕對值小于3%作為渦街流量計抗管道周期振動的標準，對國內(nèi)廣泛使用的應(yīng)力式模擬渦街流量計進行了不同振動加速度的試驗，研究其抗振性能，并分析了渦街信號品質(zhì)特性，*后對凱銘公司的數(shù)字渦街流量計進行了相同的管道周期振動試驗，分析其抗振性能。

2、試驗裝置

氣體流量管道周期振動試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1。為避免氣體壓力波動，圖中設(shè)備1先將空氣壓縮打人2中，經(jīng)3冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)4、5、7、10后，通向大氣。流量校準采用渦輪標準表法，渦輪流量計內(nèi)徑50mm，流量范圍5～100m3/h，精度為1%。兩臺壓力變送器的精度均為2‰。

管道周期振動試驗設(shè)備由11、12組成，實物如圖2。11為激振設(shè)備，由振動臺體和控制器組成，具有調(diào)頻(1～400Hz)、定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能，從而使不同加速度和頻率下的周期振動試驗得以實現(xiàn)。12為測振設(shè)備，采用壓電式加速度傳感器準確測量渦街流量計所在處管道振動狀態(tài)。由于振動臺為單自由度，僅能產(chǎn)生垂直方向即圖1中Y方向管道振動，為了實現(xiàn)水平方向管道振動，將渦街流量計旋轉(zhuǎn)90°安裝如圖2(b)，此時，振動臺工作方向相對于渦街流量計即實現(xiàn)了圖1所示的x方向。為避免管道振動對渦輪標準表產(chǎn)生影響，在渦街流量計上游2.5m處加裝軟管以消除機械振動。

3、模擬渦街流量計管道振動試驗

3.1管道振動頻率的選擇管道的機械振動大多數(shù)是由空壓機、離心泵所激勵的，這些設(shè)備本質(zhì)都是電動機的轉(zhuǎn)動，激振頻率與電機的轉(zhuǎn)速頻率密切相關(guān)?，F(xiàn)有電機的轉(zhuǎn)速大部分小于3000r/min，對應(yīng)的*大轉(zhuǎn)速頻率為50Hz。試驗中選擇40Hz來模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道振動頻率。

3.2抗振性能標準的擬定

渦街流量計的儀表系數(shù)是渦街流量計進行流量計量的一個重要參數(shù)，其線性度好壞直接影響著渦街流量計測量的精度。鑒于目前渦街流量計的抗振標準尚未出現(xiàn)，且試驗中使用的氣體渦街流量計精度為1.5級，本文擬定儀表系數(shù)相對誤差絕對值小于3％作為渦街流量計抗管道振動的標準。

3.3管道周期振動試驗結(jié)果及分析

以應(yīng)力式模擬渦街流量計為被測對象，在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下，分別進行了無振動和施加管道周期振動的實流標定試驗。管道振動方向為垂直方向和水平方向，加速度為0.05-0.5g。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出不同管道振動加速度下渦街儀表系數(shù)相對于無管道振動時平均儀表系數(shù)的相對誤差曲線，垂直方向結(jié)果如圖3(a)所示。

由圖3(a)可知，一方面，在相同的振動加速度下不同流速對渦街流量計測量影響的程度是不同的。低流速時受管道振動影響更加嚴重，渦街流量計輸出脈沖頻率即為管道振動頻率，如振動加速度較大時，5m/s處相對誤差集中在一點。隨著流速的升高，渦街流量計受管道振動影響根據(jù)振動加速度的不同可分為以下三種情況：

(1)管道振動加速度為0.05g、0.1g時，儀表系數(shù)相對誤差隨流速的升高而減小，*終減小至零；

(2)管道振動加速度為0.2g時，儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，*終減小至零；

(3)管道振動加速度為0.5g時，儀表系數(shù)相對誤差隨流速升高先增大后減小，但*終未減至零。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：應(yīng)力式渦街流量計是利用壓電探頭對交替作用在其上的升力的檢測獲得渦街頻率的，而升力與被測流體的密度和流速平方成正比。低流速時升力幅值小，易受到管道振動的干擾，當振動加速度較大時，振動信號的幅值超過了渦街升力的幅值，有用信號完全被淹沒。只能檢測到管道振動信號，故儀表系數(shù)相對誤差集中在一點。隨著流速升高，作用在旋渦發(fā)生體上的升力幅值成平方倍增長，而管道振動加速度不變即振動幅值不變，故壓電探頭檢測到的混合信號中渦街有用信號逐漸顯露出來。當管道振動加速度為*(1)種情況時，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強，*終能夠抑制振動信號使誤差減小至零。當管道振動加速度為(2)(3)情況時，在低流速下，檢測到的信號完全是振動信號，以此固定的管道振動頻率作為渦街輸出頻率，得出的儀表系數(shù)自然隨流速升高而減小，導致相對誤差增大；隨著流速的升高，渦街信號幅度增大，信噪比提高，相對誤差隨之減小，而振動加速度為0.5g時振動相對較強，渦街信號幅值隨流速升高雖有大幅提升，但仍無法完全抑制振動信號，儀表系數(shù)相對誤差有所減小，但未減至零。

另一方面，除*低流速點外，相同流速下儀表系數(shù)相對誤差隨振動加速度的增加而增大，這是由于振動加速度的增加導致管道振動干擾的幅度變大，對渦街流量計脈沖輸出造成更加惡劣的影響。

為了對比不同方向管道振動對渦街流量計測量的影響，將管道振動改為水平方向重新進行試驗，得到圖3(b)曲線。通過與圖3(a)比較，發(fā)現(xiàn)兩種情況下流速及振動加速度對儀表系數(shù)相對誤差的影響趨勢類似。依據(jù)先前擬定的抗振標準，應(yīng)力式模擬

渦街流量計抗管道振動的性能較差，垂直方向抗振加速度為0.05g，水平方向抗振加速度小于0.05g。

3.4渦街信號品質(zhì)分析

為了觀測管道周期振動下渦街流量信號的特征，利用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡對渦街正弦信號進行采樣。以垂直方向管道振動加速度為0.1g為例，給出了不同流速下渦街信號的時頻域圖，如圖4所示。由時域部分可知，管道振動下渦街流量傳感器輸出的信號為真實旋渦脫落信號和管道振動信號的合成信號。低流速(≤1lm/s)時，管道振動信號強、占主要成分，渦街信號疊加在其上；隨著流速變大(11～20.5m/s)，渦街信號逐漸顯露出來成為主要成分、淹沒振動信號。由頻域可知，振動信號成分較單一，呈尖峰狀，幅值為定值，不隨流速變化而變，除40Hz基頻外還有2、3倍頻出現(xiàn)；而渦街信號成分稍復雜，呈塔峰狀，幅值隨流速變大而迅速增強，頻譜能量占總能量比重也隨流速增加而變大。

為了定量地分析管道振動下渦街信號的質(zhì)量，引用參數(shù)Sq：

Sq=10In（Ps/Pn）（1）

式中：Ps為渦街頻率帶0.96f～1.04f范圍內(nèi)的信號能量；PN為總能量減去Ps后的能量；f為頻譜分析得到的渦街頻率值。Sq為正或負，說明渦街頻率帶的能量大于或小于其它頻帶的能量。

圖5給出了不同管道振動加速度下渦街信號品質(zhì)隨流速變化的情況。不論振動加速度如何變換，Sq的變化趨勢都是隨著流速的增加而變大，但Sq何時由負變正，則與振動加速度密切相關(guān)。相同流速下，管道振動加速度越大，Sq值越小，渦街信號品質(zhì)越差。Sq小于零時，表明由振動引起的其他頻帶能量大于渦街頻帶能量，且Sq絕對值越大，渦街信號品質(zhì)越差，渦街流量計的測量誤差越大；Sq大于零時，表明渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量，管道振動對渦街信號影響較小，且Sq值越大，渦街信號品質(zhì)越好，渦街流量計的測量誤差越小。這也與圖3(a)得到的試驗結(jié)果完全吻合。

4、數(shù)字渦街流量計管道振動試驗結(jié)果

為了與應(yīng)力式模擬渦街流量計抗振性能進行對比，本文還選用了凱銘公司生產(chǎn)的數(shù)字渦街流量計進行相同條件下的管道周期振動試驗。試驗結(jié)果整理如圖6、7。

由圖可知，凱銘數(shù)字渦街能將真實渦街信號辨識出來，但當管道振動加速度增大時，儀表系數(shù)相對誤差明顯增大，也出現(xiàn)了同應(yīng)力式模擬渦街相類似的先增大后減小的情況，而且水平方向相對誤差大于垂直方向。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，采用了SSP技術(shù)的凱銘數(shù)字渦街已將管道振動信號基頻40Hz濾除，而較大的相對誤差是由于管道振動的倍頻信號所引起的。同樣，ABB數(shù)字渦街也出現(xiàn)了同凱銘渦街相類似的試驗結(jié)果，且由振動倍頻信號導致的相對誤差更大。出現(xiàn)倍頻信號的原因可以歸結(jié)為兩個方面：*一，施振裝置本身產(chǎn)生的振動信號并不是純凈的，其中夾雜著設(shè)定頻率振動信號的倍頻信號；*二，管道的安裝、連接過程中，螺絲的松動、不平衡、不對中等都會使系統(tǒng)產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按照前文擬定的抗振標準，凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動均為0.1g，ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動為0.1g、水平方向為0.05g。

5、結(jié)論

(1)在相同的管道振動加速度下，不同流速對渦街流量計測量影響的程度不同，相同流速下儀表系數(shù)相對誤差隨管道振動加速度的增加而增大。

(2)應(yīng)力式模擬渦街流量計抗管道振動的性能較差，垂直方向抗振加速度為0.05g，水平方向抗振加速度小于0.05g。

(3)凱銘和ABB數(shù)字渦街流量計均能濾除管道振動基頻信號，但對管道振動倍頻信號無后續(xù)處理。導致管道振動加速度增加時儀表系數(shù)相對誤差變大。凱銘數(shù)字渦街抗垂直和水平方向管道振動加速度均為0.1g，ABB數(shù)字渦街抗垂直方向管道振動為0.1g、水平方向為0.05g。