渦街流量測量中一種振動信號識別方法的研究

孫宏軍 李 霄

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

渦街流量計(jì)基于卡門渦街原理。當(dāng)流體通過漩渦發(fā)生體后，在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生交替脫落的漩渦列并向下游移動。通過測量與流速成正比的頻率信號即可得到當(dāng)前流速。在渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)過程中，振動、電磁干擾及低流速測量等問題一直阻礙著其發(fā)展和應(yīng)用[1]。

目前，主要的渦街信號檢測方式有熱絲式、電容式、應(yīng)力式、差壓式和超聲式，其中效果最好、應(yīng)用最廣泛的為應(yīng)力式和差壓式。由于動態(tài)響應(yīng)頻率限制，差壓式檢測方式在流量超過一定值后會出現(xiàn)信號強(qiáng)度失真現(xiàn)象[2]，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。應(yīng)力式檢測方式在信號穩(wěn)定性、頻率測量、信號幅值上較其他檢測方式有很大的優(yōu)勢[3]。但是其對外界振動和流體的流動狀態(tài)特別敏感，如管道振動、管道流體的沖擊力以及由于流量的變化產(chǎn)生的隨機(jī)脈動壓力等干擾，都會對流量的測量產(chǎn)生很大的影響。因此抗振問題成為提高渦街流量計(jì)性能的關(guān)鍵，也成為渦街流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的突出問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者為解決渦街流量計(jì)抗振問題做出了廣泛而深入的研究，就探頭抗振結(jié)構(gòu)方面有如下研究：選擇在梁結(jié)構(gòu)的振動彎矩零點(diǎn)處粘貼壓電陶瓷來檢測渦街信號；使用懸臂梁結(jié)構(gòu)，在探頭內(nèi)和管道外貼裝兩對壓電元件，用管道外壓電元件檢測到的振動信號去補(bǔ)償探頭內(nèi)壓電元件檢測到的渦街振動混合信號[4]；雙探頭內(nèi)置于管道中，兩個探頭之間距離為同列渦街距離的一半，使兩個探頭信號相位差180°，同時感受相同的振動干擾信號，兩信號相減，使渦街信號增強(qiáng)一倍而使混疊的振動信號相互抵消[5]；雙壓電元件放置在懸臂梁式探頭的圓柱體腔內(nèi)，并關(guān)于法蘭上下對稱制成三線共地渦街探頭[6]；菱形探頭設(shè)計(jì)，檢測探頭扭矩，探頭管道內(nèi)部分設(shè)計(jì)成菱形，管道兩側(cè)的漩渦分別作用在菱形探頭的前后鍥面，使其產(chǎn)生扭矩。壓電晶體按照檢測扭矩的方式安裝，振動信號不產(chǎn)生扭矩，從而實(shí)現(xiàn)純渦街信號檢測[7]。

1 識別渦街測量中振動信號的方法①

從文獻(xiàn)可以看出，當(dāng)前渦街探頭的抗振設(shè)計(jì)主要還是以信號補(bǔ)償和進(jìn)行數(shù)字處理為主，這些方法理論上效果很好，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于探頭制作工藝水品不高，無法達(dá)到設(shè)計(jì)原理中的對稱結(jié)構(gòu)或壓電元件的對稱安裝要求，致使補(bǔ)償效果不佳；或者由于振動問題本身較為復(fù)雜，某種方法只能從某個方面降低振動干擾影響。這一系列問題使得上述方法實(shí)際運(yùn)用效果與理論差距甚遠(yuǎn)。

事實(shí)上，振動載荷在頻率、作用位置和方向上都與渦街信號有著顯著的差別。因此，從振動載荷作用在傳感器的機(jī)理上進(jìn)行區(qū)分有著重要意義。筆者從振動載荷與渦街載荷作用方向的差異出發(fā)，提出區(qū)分振動干擾和渦街信號的新思路，即通過測量加速度來獲取渦街頻率信號和振動干擾，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法的可行性，揭示其解決抗振問題的潛力。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為模擬管道振動，建立如圖1所示的基于電磁振動臺的負(fù)壓法氣體管道振動裝置。管道末端連接離心風(fēng)機(jī)從管道中抽氣，保證實(shí)驗(yàn)管段微負(fù)壓。PC機(jī)通過RS485總線連接，控制變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而改變管道內(nèi)的氣體流速。實(shí)驗(yàn)暫不要求精確的流量控制，所以整個系統(tǒng)流量控制為開環(huán)。氣體流量通過氣體渦輪流量計(jì)讀取(精度1%，口徑50mm，流量測量范圍5～100m3/h)。實(shí)驗(yàn)管段口徑D=50mm，儀表上游直管段長20D，下游長10D，實(shí)驗(yàn)管段和儀表通過夾具固定在振動臺上。為了防止實(shí)驗(yàn)管段的振動影響標(biāo)準(zhǔn)表，實(shí)驗(yàn)管段和下游管段采用軟管連接。整個振動臺系統(tǒng)以閉環(huán)控制方式運(yùn)行，可輸出正弦、隨機(jī)及脈沖等不同形式、不同強(qiáng)度的激振力。

圖1 基于電磁振動臺的負(fù)壓法氣體管道振動裝置

1.2 管道振動的基本現(xiàn)象

在提出新的檢測方式之前，先討論一個關(guān)于管道振動的基本現(xiàn)象。工業(yè)現(xiàn)場的振動情況十分復(fù)雜，振動形式、幅度、頻率還有方向都不唯一，尤其是振動方向。工業(yè)現(xiàn)場的振源多為風(fēng)機(jī)及空壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備的振動方向至少是在某個二維平面內(nèi)變化的；同時，工業(yè)管道的質(zhì)量分布不均勻也會導(dǎo)致振動在其上傳遞過程中會發(fā)生方向擴(kuò)散。換句話說，由于管道振動導(dǎo)致的儀表振動方向并不單一，而是在以管道為法相的平面內(nèi)做不確定方向運(yùn)動。筆者通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)管段在振動臺上的安裝方式如圖2所示。實(shí)驗(yàn)管段通過夾具固定在振動臺上，表體伸出實(shí)驗(yàn)臺面且與實(shí)驗(yàn)臺面中心距離為L；以此模擬振源使管道振動，激振力通過管道傳遞到表體?？刂普駝优_使其保持z方向正弦振動，頻率分別為30、50、100Hz，強(qiáng)度為0.1g(g為重力加速度)，改變距離L使其分為450、650、900mm。通過測量3個方向的加速度值(圖3)來分析振動狀態(tài)。

圖2 實(shí)驗(yàn)管段在振動臺上安裝方式

圖3 3個方向上加速度計(jì)的輸出電壓與頻率關(guān)系

首先，從圖3中任意一幅圖均可以發(fā)現(xiàn)：雖然激振力方向?yàn)閦軸方向，但振動經(jīng)過管道傳遞后，在表體可以檢測到3個軸向分量的加速度，其大小不同，z軸與激振力方向相同，所以振動分量最大，x、y軸也有振動分量且x軸振動大于y軸振動。其次，從3幅圖的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著激振頻率的提高，各個軸向的振動幅度逐漸減小，最終振動都趨近于零。這是因?yàn)樵诒３旨铀俣炔蛔兊臈l件下，隨著激振頻率的增大，振動臺振動幅度減小，較小幅值的振動更容易在管道傳遞過程中衰減甚至消失，最終到達(dá)儀表時各個方向上已無法產(chǎn)生有效的分量。最后，對比3幅圖的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著表體不斷遠(yuǎn)離振源(即L逐漸增大)，3個軸向的振動分量逐漸變大，z軸分量增大趨勢尤為明顯，這跟實(shí)驗(yàn)管段的固定有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)管段的一端處于懸空狀態(tài)，近似于懸臂梁振動，越遠(yuǎn)離固定端，振動幅值越大。因此在L=900mm實(shí)驗(yàn)條件下，各個方向振動分量也就增大。

1.3 區(qū)分振動信號的思路

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出即使是單一方向的激振力，經(jīng)過管道傳遞后作用在儀表上時，在3個軸向都會產(chǎn)生振動分量。因此振動信號具有方向上多樣、不唯一的特點(diǎn)，然而渦列對渦街探頭的沖擊方向是唯一的，即圖4中y軸方向。渦街載荷方向唯一，而振動載荷方向不唯一，那么對探頭末端進(jìn)行分析，其在y方向受到渦街載荷疊加振動載荷y向分量；z方向載荷主要為振動載荷z向分量；x方向載荷將包含振動載荷x向分量以及其他沿流場方向的沖擊載荷。如果能夠采集到不同方向載荷信號，通過z軸信號即可辨識出振動信號頻率，在此基礎(chǔ)上對y方向信號進(jìn)行處理即可區(qū)分出振動干擾和渦街信號，以此提出以方向區(qū)分二者的新思路。加速度作為既有方向又有大小的矢量信號，在方向的區(qū)分上有著自身的優(yōu)勢。基于MEMS工藝的三軸加速度計(jì)采用IC封裝，較小的尺寸使其可以安裝在探頭的末端，從而直接檢測3個軸向的加速度信號。漩渦沖擊探頭末端使其產(chǎn)生y軸向的形變，形變通過加速度信號反映，分析加速度計(jì)y軸輸出的電壓信號即可得到渦街頻

圖4 加速度傳感器安裝位置

率。另外，振動載荷在3個方向的分量亦可通過加速度信號檢測出來。這一思路通過識別z軸的振動信號即可對y軸的混疊信號進(jìn)行區(qū)分。傳統(tǒng)檢測方式只能得到一維信號，而通過三軸加速度計(jì)檢測到的信號上升為三維信號，可以為后續(xù)抗振處理提供更多信息。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 無振動條件下渦街測量實(shí)驗(yàn)

將加裝加速度計(jì)的渦街探頭安裝在表體上進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行無振動情況下流量實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉振動實(shí)驗(yàn)臺，開啟風(fēng)機(jī)并將流量調(diào)節(jié)至66.1m3/h，采集探頭輸出的三軸向加速度信號并對信號進(jìn)行功率譜分析。

從圖5可以看出，在無振動情況下，x、y軸的 功率譜分析結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的尖峰頻率，只有渦街敏感軸z軸在功率譜分析中出現(xiàn)了164Hz的尖峰，這個尖峰頻率在10s的信號采集時間內(nèi)穩(wěn)定存在，并且這一尖峰頻率具有一定帶寬，這些特性都符合渦街信號特征，可以判定探頭的z軸方向能成功檢測到渦街信號。

圖5 3個軸向采集到的加速度信號

2.2 振動條件下渦街測量實(shí)驗(yàn)

接下來開啟振動臺，設(shè)定振動臺保持100Hz頻率、0.1g強(qiáng)度的正弦振動狀態(tài)，同時開啟風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)流量至66.1m3/h，再次采集3個軸向輸出的加速度信號并做功率譜分析。

如圖6所示，在3個軸向的信號中都出現(xiàn)了50Hz工頻干擾，這是由于電動振動臺所需勵磁電流很大，電磁干擾、串?dāng)_較難去除，不過由于渦街頻率和振動頻率距離50Hz較遠(yuǎn)且工頻干擾帶寬極窄，可以不考慮工頻干擾帶來的影響。從圖中可以看到z軸檢測到164Hz的信號，結(jié)合圖5c可以判定是渦街信號，同時也檢測到頻率為100Hz的振動信號，說明振動信號確實(shí)混疊到渦街信號中。在振動條件下測量渦街信號，隨著流量的降低，渦街信號強(qiáng)度會不斷地減小，最終小于振動信號強(qiáng)度，或者當(dāng)振動頻率和渦街信號頻率接近時，就很難在z軸向信號中將兩者區(qū)分出來。觀察振動信號敏感軸x軸信號，發(fā)現(xiàn)沒有檢測到渦街信號或者檢測到的渦街信號強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振動信 號，那么通過x軸信號可以方便地獲得振動干擾頻率。結(jié)合渦街敏感軸z軸和振動敏感軸x軸的信號進(jìn)行分析和處理，即可有效地去除振動信號的干擾。

圖6 3個軸向采集到的加速度信號

3 結(jié)束語

渦街流量計(jì)基于流體振動原理，其對振動干擾尤為敏感。解決振動干擾對于渦街流量計(jì)發(fā)展有著重要意義。筆者通過實(shí)驗(yàn)證明了由于振動產(chǎn)生及傳導(dǎo)的復(fù)雜性，受干擾表體振動方向并不唯一，漩渦沖擊探頭的方向確是唯一的。由此提出了通過方向區(qū)分渦街信號和振動信號的方法。將加速度傳感器與探頭結(jié)合，得到3個方向的加速度信號，成功檢測到了渦街信號，同時在振動干擾作用下，同時檢測到了渦街信號和振動信號。實(shí)驗(yàn)證明了這種新方法的可行性，為渦街流量計(jì)抗振研究提供了新的思路。

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