摘要：選(xuǎn)擇傳(chuán)統應(yīng)力(lì)式(shì)渦街(jiē)流量計(jì) ,通過管(guǎn)道振動條件下(xià)的測量試(shì)驗結(jié)合頻(pín)譜分析方法,研究其(qí)抗振性能。試(shì)驗結果表(biǎo)明(míng),不(bú)考(kǎo)慮其(qí)下限(xiàn)流速,振動(dòng)頻率爲40hz時,隻有在0.05g管道振動加(jiā)速度的情況下,才能正常工作(zuò)。
0引言
　　渦街(jiē)流量(liàng)計利(lì)用流體經(jīng)過旋渦(wō)發生體後産(chǎn)生(shēng)的振動(dòng)進行流量測量(liàng)[1-2],因其(qí)介質适應(yīng)性強、無可動部件、結(jié)構簡單、可(kě)靠性(xìng)高(gāo)等特點(diǎn)而被廣泛使用(yòng)”。正是因爲其(qí)以(yǐ)流體(tǐ)振動爲測(cè)量原(yuán)理(lǐ),在(zài)管道振動(dòng)的情況下(xià),渦街流(liú)量(liàng)計的(de)使用(yòng)受到了限(xiàn)制。
　　國内(nèi)外諸多(duō)學者(zhě)及(jí)研究機(jī)構對(duì)渦街流量(liàng)計(jì)抗振性(xìng)和振(zhèn)動環境下(xià)渦街流量(liàng)計的(de)使用進行(háng)了大(dà)量研究[4-7]。本(běn)文以國内外應(yīng)用(yòng)最爲廣(guǎng)泛的(de)應力式渦(wō)街流量計作爲(wèi)研究(jiū)對(duì)象,在氣(qì)體流(liú)量管道振動試驗裝置上(shàng),在相同流速範圍内進行了相(xiàng)同振動頻(pín)率不同振(zhèn)動(dòng)加速度(dù)的管道(dào)振動試(shì)驗，研(yán)究(jiū)了應力(lì)式渦街流(liú)量計在管(guǎn)道振動條件下(xià)的(de)抗振性能(néng)。
1試(shì)驗裝置
　　圖(tú)1爲氣(qì)體(tǐ)流量管(guǎn)道振(zhèn)動試(shì)驗裝(zhuāng)置結構(gòu)圖(tú)。爲避免氣(qì)體壓力波(bō)動,空氣(qì)壓縮機先将(jiāng)大氣中的(de)空氣壓(yā)縮(suō)打人(rén)穩壓儲(chǔ)氣罐中(zhōng)，高溫壓縮空氣經過冷(lěng)千機冷(lěng)卻除濕後，得到(dào)的純淨氣體先(xiān)後流(liú)經氣路總(zǒng)閥、氣(qì)動調(diào)節閥、渦(wō)輪(lún)流量計(标(biāo)準表)、渦街流量(liàng)計(被(bèi)校表)後,最終通向大氣。本(běn)文選(xuǎn)用的(de)振動(dòng)台,具(jù)有(yǒu)頻率調(diào)節(1~400hz)、簡(jiǎn)易調整(zhěng)加(jiā)速度(dù)(<20g)/振幅、輸出(chū)正弦(xián)類波(bō)形等(děng)功能(néng),從而使設(shè)定頻率下不同(tóng)振動(dòng)加速(sù)度的管道振動試驗得以(yǐ)實現)。

　　試(shì)驗中(zhōng)對渦(wō)街流量計(jì)的流(liú)量校(xiào)準(zhǔn)采(cǎi)用标準表(biǎo)法,即(jí)由渦(wō)輪流量(liàng)計測得(dé)的流量值和(hé)渦(wō)輪流量計(jì)表前壓力變(biàn)送器測(cè)得的壓力(lì)值便可換(huàn)算得到流(liú)經被測渦(wō)街流(liú)量計的體積流(liú)量(管(guǎn)路中氣體(tǐ)溫度(dù)變(biàn)化很小(xiǎo),忽略不(bú)計)。标準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)的最大允許誤(wù)差爲(wèi)±1%,内徑爲50mm，流(liú)量範圍爲(wèi)5~100m3/h;兩個(gè) 壓力變送器 的(de)最大允許誤差(chà)均爲±2%
2試驗條件
　　爲了(le)分析管道振動(dòng)對渦街流(liú)量計測量(liàng)的影(yǐng)響，分别(bié)在5,7.5,11,15.5,20.5m/s五個(gè)流速,施加(jiā)豎直(zhí)方向振(zhèn)動,振動頻率40hz,振(zhèn)動(dòng)的加(jiā)速度(dù)分别(bié)爲0.05g,0.1g,0.2g,0.5g。
3試(shì)驗數據結(jié)果分(fèn)析
　　選用(yòng)國(guó)内生(shēng)産的普通應力(lì)式模(mó)拟(nǐ)渦街流(liú)量計,在圖1所示(shì)的氣體管道振(zhèn)動試驗(yàn)裝(zhuāng)置上進行(háng)測(cè)量(liàng)試驗(yàn)。試驗數據(jù)如表(biǎo)1所示(shì)。将測量數(shù)據整理分(fèn)析，繪制其(qí)不同加速(sù)度振動條件下(xià)儀表(biǎo)系(xì)數(shù)相對(duì)于無(wú)管(guǎn)道(dào)振動(dòng)時儀表系數的(de)相對誤差(chà)曲線如2所示。

　　在相同(tóng)的振(zhèn)動加速度(dù)下不同流速對(duì)渦街流量計(jì)測量影響的(de)程度(dù)是不同的。低流速時(shí)渦(wō)街流量(liàng)計受管道振動(dòng)影響(xiǎng)更加(jiā)嚴重(zhòng),輸出脈沖(chòng)的頻率即爲(wèi)管道振動的(de)頻率。在振(zhèn)動加(jiā)速度較大(dà)時，低流速點5m/s處(chù)的儀(yí)表系數的(de)相對誤(wù)差集中(zhōng)在-一點。随着流速的升高,渦街流量計受管道(dào)振動(dòng)影響(xiǎng)根據(jù)振動加(jiā)速度的不同可分(fèn)爲以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)種情況:1)管(guǎn)道振動加(jiā)速度(dù)爲0.05g、0.1g時,渦(wō)街流量(liàng)計儀表系數相對誤(wù)差随流速(sù)的升高(gāo)而(ér)減小(xiǎo)，最終減小至零;2)管道振動(dòng)加速(sù)度爲(wèi)0.2g時,渦街流(liú)量計儀(yí)表(biǎo)系數相對誤(wù)差随流(liú)速升高先增大(dà)後減(jiǎn)小，最終減(jiǎn)小至零;3)管道振(zhèn)動加速度爲0.5g時(shí),渦(wō)街流(liú)量計儀(yí)表系數相(xiàng)對誤差随流速(sù)升高先增大後減小(xiǎo)，但最終(zhōng)未減小(xiǎo)至零。出現上述(shù)現象的原(yuán)因在(zài)于,應力式(shì)渦街(jiē)流量計是(shì)利用壓電探頭對交替作(zuò)用在旋渦(wō)發生(shēng)體上的升(shēng)力的(de)檢測(cè)進而(ér)獲得渦街頻率(lǜ)的，而作用在旋(xuán)渦發(fā)生(shēng)體上的(de)升力與被測流(liú)體的(de)密(mì)度和流(liú)速平方成(chéng)正比(bǐ)。小流量(liàng)時升力(lì)幅(fú)值小，易受到(dào)管道振動的(de)幹(gàn)擾,當振動(dòng)加速(sù)度較大時，振動(dòng)信号的(de)幅值超(chāo)過了渦街(jiē)升力(lì)的幅值,有用信号幾乎完全被(bèi)淹沒,隻(zhī)能(néng)檢測到管道(dào)振動信(xìn)号,故(gù)渦街流量計儀表系數相(xiàng)對誤差集中在(zài)一點。随着流速(sù)升高,作用(yòng)在旋(xuán)渦發生體上的(de)升力幅(fú)值成平(píng)方倍的(de)增(zēng)長,而(ér)管道振(zhèn)動(dòng)加速(sù)度不變(biàn)即(jí)振動(dòng)幅值(zhí)不變,故壓(yā)電探頭檢(jiǎn)測到(dào)的混合信号中(zhōng)渦街(jiē)有用信号(hào)逐漸顯露出來。當管道振(zhèn)動加(jiā)速度爲第(dì)1)種情(qíng)況時(shí)，渦街信号(hào)幅值(zhí)随(suí)流(liú)速升高而(ér)迅速增強,最終能(néng)夠(gòu)抑制(zhì)管道的(de)振動(dòng)信号使(shǐ)儀表(biǎo)系數(shù)相對(duì)誤差(chà)減小(xiǎo)至零(líng);當管(guǎn)道振動加(jiā)速度爲後(hòu)兩種情況(kuàng)時,在(zài)低流速(sù)下(xià),檢測(cè)到的信(xìn)号完全(quán)是振(zhèn)動信号,以(yǐ)此固定的管道(dào)振動頻(pín)率作(zuò)爲(wèi)渦街的頻(pín)率信(xìn)号,得出(chū)的儀表(biǎo)系數當(dāng)然随着(zhe)流速(sù)的升高而(ér)減小，儀表系數繼續(xù)降低,相對(duì)誤差增(zēng)大(dà)，随着(zhe)流速(sù)的升高，渦(wō)街信号幅度增(zēng)大,信噪比相對(duì)提高時,相(xiàng)對誤差随之(zhī)減(jiǎn)小。而(ér)振動加(jiā)速度爲(wèi)0.5g的(de)振動信号相(xiàng)對較強(qiáng),渦街信(xìn)号的幅(fú)值(zhí)随着(zhe)流速的(de)升(shēng)高雖(suī)然有(yǒu)大幅提升(shēng),但仍無法(fǎ)完全(quán)有效(xiào)地抑制管道振(zhèn)動信(xìn)号,儀(yí)表系(xì)數相對誤(wù)差有所減小,但(dàn)不能減至零。

　　此外,除最低(dī)流速(sù)點外,相同(tóng)流速下渦街流(liú)量計(jì)的儀(yí)表系(xì)數相對誤(wù)差随(suí)振(zhèn)動(dòng)加速度的(de)增加而增大,這是由(yóu)于振(zhèn)動加(jiā)速度的增加導(dǎo)緻管(guǎn)道振動幹擾(rǎo)的幅度(dù)變大(dà),對渦街流量計信号輸出造成更加惡劣的影(yǐng)響。由(yóu)以(yǐ)上試驗以及分(fèn)析可以(yǐ)看出,普通(tōng)模拟(nǐ)渦街流(liú)量(liàng)計抗(kàng)管道振(zhèn)動(dòng)的性(xìng)能很(hěn)差,不考慮其下(xià)限流速,振(zhèn)動頻率爲40hz時,隻(zhī)有在0.05g管道(dào)振動加速度(dù)的(de)情況下,才能(néng)正常工(gōng)作。

4試驗(yàn)信号頻(pín)譜分(fèn)析
　　爲了觀(guān)測管(guǎn)道振(zhèn)動情況下渦街流量信号(hào)的特征,在(zài)上述試驗(yàn)中還啓用了基于(yú)計(jì)算機的信(xìn)号采集系統,分(fèn)别在(zài)上述五個流速下，對(duì)經過電荷(hé)放大和.低(dī)通(tōng)濾波後的渦街正(zhèng)弦信号(hào)進行數(shù)據采集,利(lì)用頻譜分析軟件繪(huì)制出(chū)其(qí)對應(yīng)的(de)頻譜圖(tú)。由(yóu)前面(miàn)對測量數據分(fèn)析可(kě)知(zhī),0.05g和0.5g兩個(gè)振動(dòng)加(jiā)速(sù)度情(qíng)況下的渦街特性具備(bèi)一(yī)定的(de)代表性(xìng)。故(gù)此處(chù)僅以0.05g和0.5g兩個振(zhèn)動加速度情況(kuàng)下的(de)渦(wō)街信号(hào)爲例(lì),說明其振(zhèn)動條件下的渦(wō)街信号的情況。其(qí)他振動加速(sù)度的信号情況均介(jiè)于這兩種(zhǒng)情況之間(jiān)。

　　由圖(tú)3可知(zhī)，在(zài)5m/s和7.5m/s兩個(gè)低流速點時,振動信号(hào)比較強(qiáng),渦街(jiē)信(xìn)号(hào)受到嚴重影(yǐng)響，流量(liàng)計輸出的脈沖(chòng)頻(pín)率(lǜ)不是渦街(jiē)頻率,而是(shì)振動信号與渦(wō)街信(xìn)号合成的(de)頻率(lǜ),造成(chéng)了(le)流(liú)量計(jì)的測量(liàng)誤(wù)差。随(suí)着流速的(de)增大(dà),渦街的真(zhēn)實信(xìn)号逐漸顯(xiǎn)露出(chū)來,振(zhèn)動信(xìn)号相對(duì)比(bǐ)較(jiào)微(wēi)弱,被(bèi)渦街真(zhēn)實的信(xìn)号淹沒,此(cǐ)時流(liú)量計輸出(chū)的脈(mò)沖頻(pín)率即(jí)爲渦(wō)街(jiē)信号的(de)真實(shí)頻率(lǜ)。
　　從圖3和圖4可以看出(chū),0.5g振動(dòng)加速(sù)度情況下(xià),渦街信号受管道(dào)振(zhèn)動(dòng)的影響(xiǎng)程度(dù)與(yǔ)0.05g振(zhèn)動加速度相比(bǐ)要嚴重得(dé)多。雖(suī)然仍(réng)存在随着流速(sù)的增大,渦街信(xìn)号逐漸增強的(de)趨勢，但是在整個試驗測(cè)量範(fàn)圍内(nèi),渦街(jiē)信号(hào)都(dōu)沒有完全顯(xiǎn)露出(chū)來,而(ér)都是(shì)振動信号(hào)占據了主導地位。隻(zhī)有當(dāng)流速比較(jiào)高時，振動信号(hào)中才疊(dié)加了渦(wō)街信号,而當流(liú)速相對比較低時,渦街信号完(wán)全被(bèi)振動信号(hào)淹沒。儀表輸出的脈沖(chòng)頻(pín)率爲振動信号的頻(pín)率。因(yīn)此(cǐ)可以解(jiě)釋(shì)圖2相(xiàng)對誤差(chà)曲線中0.5g振動加(jiā)速度情況(kuàng)下,誤(wù)差比較大,而且(qiě)最終(zhōng)仍然沒有(yǒu)歸零的(de)原因。
5小(xiǎo)結　　
　　本文以應用(yòng)最爲廣泛(fàn)的應力式渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計作爲研究對(duì)象,對(duì)其進行管(guǎn)道振動條件下(xià)的測量試(shì)驗,分析其信号頻譜(pǔ)的特點。試驗結果(guǒ)表明,不考慮(lǜ)其下限流速(sù)，振(zhèn)動頻(pín)率(lǜ)爲(wèi)40hz時,隻(zhī)有在0.05g管(guǎn)道(dào)振動加速度的情況(kuàng)下，才能正常工(gōng)作。

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