提出了利用FFT相位判别来消除流场脉动干扰对旋进旋涡流量计测量影响的方法,研究了流体脉动对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应特性的影响,在流量计实验装置上对50mm口径旋进旋涡流量计进行了实验研究。实验表明:流体脉动干扰压力与旋进旋涡效应的脉动压力间存在线性迭加关系以及流场脉动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现象。数值实验表明了本方法的有效性。
旋进旋涡流量计是一种新型的流体振动流量计。其主要特点是无活动部件,对测量介质的适应性广,线性测量范围宽,可应用于气体、液体和蒸汽的计量。但旋进旋涡的强度较弱,当待测系统附近有振动或噪声源,或流体内部波动或管壁振动时,其计量精度就会受到明显的影响[1～4]。对待测流体及其环境条件的苛刻要求,极大地限制了其工业应用。为此,人们从不同角度进行了研究,归纳起来,主要是从两条途径进行研究:
(1)针对流体振动型流量计目前采用的放大、滤波、整形和计数的方法,不能从含有管道的机械振动和流场的不稳定等噪声信号中准确提取频率信息,以至于流量计现场的测量精度达不到指标规定的要求。人们提出采用数字信号处理方法处理流量传感器的信号,其主要包括:基于FFT(快速傅立叶变换)的周期图法[5],自适应陷波滤波方法[6],互相关方法[7],数字跟踪滤波方法[8～11]和小波变换方法[12]。虽然上述方法对解决测量现场外界干扰引起的传感器输出信号中波形畸变而导致的传统二次仪表计数误差是有效的,但没有考虑到由于流体脉动干扰引起的主频移动现象的影响。
(2)针对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应脉动压力的相差现象,人们提出利用对称信号差分处理来解决旋进旋涡流量计抗干扰问题。1991年Hein Richs做了用集成差分传感器降低旋进旋涡流量计量程下限的实验研究[13];2000年傅新等人用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究,进而提出对称信号差分处理抗干扰的思路[14]。但简单的轴对称信号差分处理只能解决相位和幅值都相同的共模噪声对传感器输出信号波形的影响;并且由于其对安装工艺和传感器的极其严格的对称要求,使该方法在工业上的使用受到极大限制。
本文就流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响进行了实验研究。明确了流体脉动干扰压力与旋进旋涡效应的脉动压力的线性迭加关系以及流场脉动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现象;并且对旋进旋涡有效信号和脉动干扰信号进行相位分析,得出对称轴线旋进旋涡有效信号具有接近180°相位差,而流体脉动干扰信号接近0°相位差的结论。分析了现在采用的数字信号频率提取和对称差分信号处理的缺点,在此基础上提出基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法,并给出仿真结果。
2 旋进旋涡流量计的原理[1～4]
旋进旋涡流量计是通过测量流体的旋进旋涡效应脉动压力频率来得到流体体积的流量计。图1为旋进旋涡流量计的原理图。
流体经过固定旋涡发生叶片产生一个旋转运动,附加一个切向的速度到轴向运动的流体,这样就产生了连续的旋涡系列而构成一个旋涡流,称之为“涡势”,其中心为旋涡核(旋涡中心流),外围为环流,其流经变送器收缩段时涡流加速,此时,涡核直径沿流动方向逐渐缩小,旋涡强度逐渐加强,达到扩大段时,由于旋涡急剧减速,压力上升,旋涡中心区的压力比周围低,于是就产生了回流。在回流的作用下,旋涡流偏离原前进方向,迫使涡核在扩大段作一种类似陀螺的运动,旋涡流的进动是贴近扩大段的壁面进行的。由于旋进旋涡频率与流体的流速成正比,因此,测得旋进旋涡频率即能反映出流速和体积流量的大小。
3 流场脉动干扰对旋进旋涡流量计测量影响实验研究
3.1 实验测试系统
图2所示为实验装置及测试系统原理图。实验装置为气体流量实验系统,它由5个部分组成。Ⅰ——流场干扰模拟装置,用于在实验室条件下模拟流场波动;Ⅱ——实验表体;Ⅲ——标准流量校准装置,采用临界流文丘利喷嘴流量计作为校准其它仪表的基准;Ⅳ——压差产生装置,通过真空泵产生负压,入口和出口之间产生一个压差,形成小型风洞;Ⅴ——计算机测试系统,用于测量传感器的输出,主要由电荷放大器及用于采样计算的美国DACTRON公司Photo便携式动态信号分析仪(该分析仪的主要特性和性能指标:4个输入通道, 1个输出通道; 120MHz TMS320VC33DSP,21kHz处理率;32位浮点DSP;ICP传感器供电;USB接口,支持热插拔;重量小于200g,抗振动外壳)和计算机所组成。
3.2 实验条件
实验传感器采用上海测试技术研究院生产的直径7mm压电式压力传感器,其固有频率响应可达几十kHz。实验节流时间大于15s。实验的体积流量范围可从5.5～220.5m3/h(对应雷诺数Re=2595～1.0404×105)间断分布。实验的管道内径50mm。为得到充分发展的湍流,实验段的入口直管道长度为800mm(>10d),在无周期扰动并无旋进旋涡的状态下的流动状态是充分发展的湍流。
3.3 实验结果及讨论
为研究流场脉动对旋进旋涡流量计测量的影响,分别对脉动流在直管道中的传播特性及脉动流场中旋进旋涡流量计测量特性进行实验研究。
3.3.1 脉动流管道传播特性实验
图3为脉动流管道传播实验示意图。对称于轴线安装两个传感器,以便于了解对称于轴线两侧的流体脉动流特性。
图4,图5是典型的同一扰动频率下不同流量脉动流管道传播特性曲线(图中Q是流量,fd是流场干扰模拟装置扰动频率)。脉动流管道传播基本特性与扰动频率无关。
从实验结果可以得出以下结论:
(1)在相同扰动频率下,不同流量的流体压力脉动是不相同的,但其频域主频是相同的,幅值随流量的增加而增大。在同一流量下,对称轴线两侧的压力脉动的相差接近于零,而且波动的强度相近。
(2)管道的压力脉动频率和扰动的频率是不一样的,管道流压力脉动频率高于扰动频率。这是由于流体压力的扰动和管道耦合作用所产生流体波动的频率高于扰动的频率。
3.3.2 旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验
图6为旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量示意图,对称于轴线安装两个传感器,以便于了解对称于轴线两侧的旋进旋涡特性。
图7,图8是典型旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量实验结果。图9是不同干扰频率下旋进旋涡流量计旋进旋涡压力脉动主频与流量的校准曲线。图10是脉动流测量相对误差曲线,这里定义频率相对误差δ=(FQfd-FQ0)/FQ0;其中FQfd是流量Q下扰动频率为fd时的旋进旋涡频率,FQ0为流量Q下均匀流中旋进旋涡频率。
从上面的实验结果可以看出:
流体脉动干扰会使旋进旋涡流量计脉动流的测量发生移频现象,这一现象主要出现在流量比较小的情况下。频率移动的程度随扰动频率的提高而增强,最大的偏差可达500%左右。故在此种情况下通过数字信号处理提取频率信号将失效,无法得到正确的流量。移频现象所对应的频率是流体脉动干扰所产生的压力脉动频率。
