渦街流量計抗管道周期振動(dòng)性能的試驗研究

摘要：為研究渦街流量計在管道周期振動(dòng)情況下的抗振性能，對國內廣泛應用的應力式模擬渦街流量計，在氣體流量管道周期振動(dòng)試驗裝置上進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度和方向的試驗。通過(guò)對振動(dòng)產(chǎn)生儀表系數相對誤差的研究，得出模擬渦街流量計的抗振加速度，并分析了此時(shí)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)的數字渦街流量計進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗，研究了數字渦街的抗振性能，并發(fā)現振動(dòng)倍頻信號是導致儀表系數相對誤差出現的主要原因。

1、引言

渦街流量計具有無(wú)可動(dòng)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(diǎn)，廣泛應用于計量和工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中。但是，渦街流量計本質(zhì)上是流體振動(dòng)型流量計，它對機械振動(dòng)、流體的流動(dòng)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(dòng)、流體脈動(dòng)以及流體的沖擊力等，這些干擾勢必會(huì )對渦街流量計的正常計量產(chǎn)生很大影響。在流體脈動(dòng)方面研究較多，國外Hebrard等和Peters等研究了脈動(dòng)的流體對渦街流量計測量精度的影響；國內蒙建波等和徐科軍等借助仿真手段研究了周期性脈動(dòng)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(zhuān)門(mén)研究了沖擊振動(dòng)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(dòng)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(guò)電流輸出誤差分析研究管道振動(dòng)對測量產(chǎn)生的影響?？墒枪艿乐芷谡駝?dòng)現象普遍存在于工業(yè)現場(chǎng)(如壓縮機、鼓風(fēng)機、泵等動(dòng)力設備引起的管道振動(dòng))，而目前尚無(wú)有關(guān)渦街流量計抗管道周期振動(dòng)的統一標準。

本文擬定渦街流量計儀表系數相對誤差絕對值小于3%作為渦街流量計抗管道周期振動(dòng)的標準，對國內廣泛使用的應力式模擬渦街流量計進(jìn)行了不同振動(dòng)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，*后對凱銘公司的數字渦街流量計進(jìn)行了相同的管道周期振動(dòng)試驗，分析其抗振性能。

2、試驗裝置

氣體流量管道周期振動(dòng)試驗裝置結構如圖1。為避免氣體壓力波動(dòng)，圖中設備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(dòng)試驗設備由11、12組成，實(shí)物如圖2。11為激振設備，由振動(dòng)臺體和控制器組成，具有調頻(1～400Hz)、定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類(lèi)波形等功能，從而使不同加速度和頻率下的周期振動(dòng)試驗得以實(shí)現。12為測振設備，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(dòng)狀態(tài)。由于振動(dòng)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(dòng)，為了實(shí)現水平方向管道振動(dòng)，將渦街流量計旋轉90°安裝如圖2(b)，此時(shí)，振動(dòng)臺工作方向相對于渦街流量計即實(shí)現了圖1所示的x方向。為避免管道振動(dòng)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(dòng)。

3、模擬渦街流量計管道振動(dòng)試驗

3.1管道振動(dòng)頻率的選擇管道的機械振動(dòng)大多數是由空壓機、離心泵所激勵的，這些設備本質(zhì)都是電動(dòng)機的轉動(dòng)，激振頻率與電機的轉速頻率密切相關(guān)?，F有電機的轉速大部分小于3000r/min，對應的*大轉速頻率為50Hz。試驗中選擇40Hz來(lái)模擬工業(yè)現場(chǎng)的管道振動(dòng)頻率。

3.2抗振性能標準的擬定

渦街流量計的儀表系數是渦街流量計進(jìn)行流量計量的一個(gè)重要參數，其線(xiàn)性度好壞直接影響著(zhù)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，且試驗中使用的氣體渦街流量計精度為1.5級，本文擬定儀表系數相對誤差絕對值小于3％作為渦街流量計抗管道振動(dòng)的標準。

3.3管道周期振動(dòng)試驗結果及分析

以應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(jìn)行了無(wú)振動(dòng)和施加管道周期振動(dòng)的實(shí)流標定試驗。管道振動(dòng)方向為垂直方向和水平方向，加速度為0.05-0.5g。根據試驗數據，繪制出不同管道振動(dòng)加速度下渦街儀表系數相對于無(wú)管道振動(dòng)時(shí)平均儀表系數的相對誤差曲線(xiàn)，垂直方向結果如圖3(a)所示。

由圖3(a)可知，一方面，在相同的振動(dòng)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(shí)受管道振動(dòng)影響更加嚴重，渦街流量計輸出脈沖頻率即為管道振動(dòng)頻率，如振動(dòng)加速度較大時(shí)，5m/s處相對誤差集中在一點(diǎn)。隨著(zhù)流速的升高，渦街流量計受管道振動(dòng)影響根據振動(dòng)加速度的不同可分為以下三種情況：

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

(2)管道振動(dòng)加速度為0.2g時(shí)，儀表系數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(dòng)加速度為0.5g時(shí)，儀表系數相對誤差隨流速升高先增大后減小，但*終未減至零。

出現上述現象的原因在于：應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(shí)升力幅值小，易受到管道振動(dòng)的干擾，當振動(dòng)加速度較大時(shí)，振動(dòng)信號的幅值超過(guò)了渦街升力的幅值，有用信號完全被淹沒(méi)。只能檢測到管道振動(dòng)信號，故儀表系數相對誤差集中在一點(diǎn)。隨著(zhù)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(cháng)，而管道振動(dòng)加速度不變即振動(dòng)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(lái)。當管道振動(dòng)加速度為*(1)種情況時(shí)，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強，*終能夠抑制振動(dòng)信號使誤差減小至零。當管道振動(dòng)加速度為(2)(3)情況時(shí)，在低流速下，檢測到的信號完全是振動(dòng)信號，以此固定的管道振動(dòng)頻率作為渦街輸出頻率，得出的儀表系數自然隨流速升高而減小，導致相對誤差增大；隨著(zhù)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(dòng)加速度為0.5g時(shí)振動(dòng)相對較強，渦街信號幅值隨流速升高雖有大幅提升，但仍無(wú)法完全抑制振動(dòng)信號，儀表系數相對誤差有所減小，但未減至零。

另一方面，除*低流速點(diǎn)外，相同流速下儀表系數相對誤差隨振動(dòng)加速度的增加而增大，這是由于振動(dòng)加速度的增加導致管道振動(dòng)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(dòng)對渦街流量計測量的影響，將管道振動(dòng)改為水平方向重新進(jìn)行試驗，得到圖3(b)曲線(xiàn)。通過(guò)與圖3(a)比較，發(fā)現兩種情況下流速及振動(dòng)加速度對儀表系數相對誤差的影響趨勢類(lèi)似。依據先前擬定的抗振標準，應力式模擬

渦街流量計抗管道振動(dòng)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(guān)測管道周期振動(dòng)下渦街流量信號的特征，利用NI USB-6009數據采集卡對渦街正弦信號進(jìn)行采樣。以垂直方向管道振動(dòng)加速度為0.1g為例，給出了不同流速下渦街信號的時(shí)頻域圖，如圖4所示。由時(shí)域部分可知，管道振動(dòng)下渦街流量傳感器輸出的信號為真實(shí)旋渦脫落信號和管道振動(dòng)信號的合成信號。低流速(≤1lm/s)時(shí)，管道振動(dòng)信號強、占主要成分，渦街信號疊加在其上；隨著(zhù)流速變大(11～20.5m/s)，渦街信號逐漸顯露出來(lái)成為主要成分、淹沒(méi)振動(dòng)信號。由頻域可知，振動(dòng)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；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(dòng)下渦街信號的質(zhì)量，引用參數Sq：

Sq=10In（Ps/Pn）（1）

式中：Ps為渦街頻率帶0.96f～1.04f范圍內的信號能量；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(shuō)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(dòng)加速度下渦街信號品質(zhì)隨流速變化的情況。不論振動(dòng)加速度如何變換，Sq的變化趨勢都是隨著(zhù)流速的增加而變大，但Sq何時(shí)由負變正，則與振動(dòng)加速度密切相關(guān)。相同流速下，管道振動(dòng)加速度越大，Sq值越小，渦街信號品質(zhì)越差。Sq小于零時(shí)，表明由振動(dòng)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(shí)，表明渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量，管道振動(dòng)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)得到的試驗結果完全吻合。

4、數字渦街流量計管道振動(dòng)試驗結果

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

由圖可知，凱銘數字渦街能將真實(shí)渦街信號辨識出來(lái)，但當管道振動(dòng)加速度增大時(shí)，儀表系數相對誤差明顯增大，也出現了同應力式模擬渦街相類(lèi)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。根據測量數據可知，采用了SSP技術(shù)的凱銘數字渦街已將管道振動(dòng)信號基頻40Hz濾除，而較大的相對誤差是由于管道振動(dòng)的倍頻信號所引起的。同樣，ABB數字渦街也出現了同凱銘渦街相類(lèi)似的試驗結果，且由振動(dòng)倍頻信號導致的相對誤差更大。出現倍頻信號的原因可以歸結為兩個(gè)方面：*一，施振裝置本身產(chǎn)生的振動(dòng)信號并不是純凈的，其中夾雜著(zhù)設定頻率振動(dòng)信號的倍頻信號；*二，管道的安裝、連接過(guò)程中，螺絲的松動(dòng)、不平衡、不對中等都會(huì )使系統產(chǎn)生倍頻現象。

根據試驗數據，按照前文擬定的抗振標準，凱銘數字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)均為0.1g，ABB數字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向為0.05g。

5、結論

(1)在相同的管道振動(dòng)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相對誤差隨管道振動(dòng)加速度的增加而增大。

(2)應力式模擬渦街流量計抗管道振動(dòng)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數字渦街流量計均能濾除管道振動(dòng)基頻信號，但對管道振動(dòng)倍頻信號無(wú)后續處理。導致管道振動(dòng)加速度增加時(shí)儀表系數相對誤差變大。凱銘數字渦街抗垂直和水平方向管道振動(dòng)加速度均為0.1g，ABB數字渦街抗垂直方向管道振動(dòng)為0.1g、水平方向為0.05g。