摘要：選擇傳統應(ying)力(li)式渦街(jie)流量計(ji) ,通(tong)過管道振(zhen)動(dong)條(tiao)件下(xia)的測量(liang)試驗結合頻譜分析方(fang)法,研(yan)究其抗振(zhen)性能(neng)。試(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming),不考(kao)慮其(qi)下限流速,振動(dong)頻率爲(wei)40Hz時(shi),隻有(you)在0.05g管道振動加(jia)速度的(de)情況下(xia),才能正(zheng)常工作(zuo)。
0引言
　　渦街(jie)流量(liang)計利用(yong)流體經(jing)過旋(xuan)渦(wo)發(fa)生體(ti)後産(chan)生的(de)振動(dong)進行流量測量[1-2],因其(qi)介質适應(ying)性強、無可(ke)動部(bu)件、結構簡(jian)單、可(ke)靠性高等(deng)特點而被廣(guang)泛(fan)使用(yong)”。正是(shi)因爲(wei)其以流體(ti)振動爲測(ce)量原理,在(zai)管道(dao)振動(dong)的情況下(xia),渦街(jie)流(liu)量(liang)計的(de)使用受到了限(xian)制。
　　國内外諸多(duo)學者(zhe)及研究機(ji)構對渦(wo)街流量(liang)計抗振(zhen)性(xing)和振(zhen)動環境下渦街(jie)流量計(ji)的使用(yong)進行了大量研(yan)究[4-7]。本文以(yi)國内(nei)外應(ying)用最爲廣(guang)泛的(de)應力式渦(wo)街流(liu)量(liang)計作爲(wei)研究(jiu)對(dui)象,在氣(qi)體流量管道振(zhen)動試(shi)驗(yan)裝置上(shang),在相(xiang)同流(liu)速範(fan)圍内(nei)進行(hang)了相(xiang)同振動頻率不同振動(dong)加速度(du)的管(guan)道振動試(shi)驗，研(yan)究了應力(li)式渦街(jie)流(liu)量計在管(guan)道(dao)振(zhen)動條(tiao)件下的抗(kang)振性(xing)能。
1試(shi)驗裝置
　　圖(tu)1爲氣體流(liu)量管道振動試驗裝(zhuang)置結構圖(tu)。爲避(bi)免氣(qi)體(ti)壓力波(bo)動,空(kong)氣(qi)壓縮機(ji)先将(jiang)大氣中的(de)空氣壓(ya)縮打人(ren)穩壓儲氣罐中(zhong)，高溫壓縮(suo)空氣經過(guo)冷(leng)千機冷(leng)卻除濕(shi)後，得到(dao)的純淨(jing)氣體先(xian)後流經(jing)氣(qi)路總閥、氣(qi)動(dong)調節閥(fa)、渦輪流量(liang)計(标(biao)準表)、渦街(jie)流量(liang)計(被校表)後,最(zui)終通(tong)向大氣。本(ben)文選用的(de)振動(dong)台,具(ju)有(you)頻率調(diao)節(1~400Hz)、簡易(yi)調(diao)整加(jia)速度(du)(<20g)/振幅、輸出(chu)正弦(xian)類(lei)波(bo)形等功能(neng),從而使設(she)定頻(pin)率下不同(tong)振動加速度的(de)管道振動試驗(yan)得以實現)。

　　試(shi)驗(yan)中(zhong)對渦(wo)街流量計的流(liu)量校準(zhun)采用标準表(biao)法(fa),即(ji)由渦(wo)輪流量計(ji)測得(de)的流(liu)量值和渦(wo)輪流量(liang)計(ji)表前壓力變送(song)器測(ce)得的(de)壓力值便可換(huan)算得(de)到流(liu)經被測(ce)渦(wo)街流(liu)量計(ji)的體積流(liu)量(管路中(zhong)氣體(ti)溫度變化(hua)很小(xiao),忽略(lue)不計(ji))。标準表渦輪(lun)流(liu)量計(ji)的最(zui)大允許誤(wu)差爲±1%,内徑(jing)爲50mm，流(liu)量範圍(wei)爲(wei)5~100m3/h;兩個(ge) 壓力(li)變送(song)器 的(de)最大允許(xu)誤差(cha)均爲(wei)±2%
2試(shi)驗條件(jian)
　　爲了分(fen)析管道振動(dong)對渦(wo)街流(liu)量計(ji)測量的影(ying)響，分(fen)别在5,7.5,11,15.5,20.5m/s五個(ge)流速(su),施加豎直(zhi)方向(xiang)振動,振動(dong)頻率40Hz,振動(dong)的加速度(du)分别爲0.05g,0.1g,0.2g,0.5g。
3試(shi)驗數據結(jie)果分(fen)析
　　選(xuan)用國内生(sheng)産的(de)普通(tong)應力(li)式模拟渦街流(liu)量計(ji),在圖(tu)1所示的氣(qi)體管(guan)道振(zhen)動試(shi)驗裝(zhuang)置上(shang)進行(hang)測量試驗(yan)。試驗數據(ju)如表(biao)1所示(shi)。将測量數(shu)據整理(li)分析，繪制其(qi)不同加速(su)度振(zhen)動條(tiao)件下(xia)儀表系數相對(dui)于無管道(dao)振動時儀(yi)表系數的(de)相對(dui)誤(wu)差(cha)曲線(xian)如2所(suo)示。

　　在相同(tong)的振(zhen)動加(jia)速度下不(bu)同流速對(dui)渦街流量計測(ce)量影響的(de)程度(du)是不(bu)同(tong)的。低流(liu)速時渦街(jie)流量(liang)計受(shou)管(guan)道(dao)振動影響更加(jia)嚴重(zhong),輸出脈(mo)沖的頻率即(ji)爲(wei)管道振(zhen)動的(de)頻(pin)率(lü)。在振(zhen)動加(jia)速度(du)較大(da)時，低(di)流速(su)點5m/s處(chu)的儀(yi)表系(xi)數的(de)相對誤差集中(zhong)在-一點。随(sui)着流(liu)速的(de)升高(gao),渦街(jie)流量(liang)計(ji)受管道(dao)振動(dong)影(ying)響根據(ju)振動(dong)加(jia)速(su)度的(de)不同(tong)可分(fen)爲以下幾種(zhong)情況:1)管(guan)道振動加(jia)速度(du)爲0.05g、0.1g時(shi),渦街(jie)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數相(xiang)對誤(wu)差随(sui)流速(su)的升(sheng)高而(er)減小(xiao)，最終(zhong)減(jian)小至零(ling);2)管道(dao)振動(dong)加速(su)度爲(wei)0.2g時(shi),渦街流(liu)量計儀表(biao)系數相對(dui)誤差随流(liu)速升高先(xian)增大(da)後減(jian)小，最終減(jian)小至零(ling);3)管(guan)道振動加(jia)速度爲0.5g時(shi),渦街流(liu)量(liang)計儀(yi)表系(xi)數(shu)相對誤(wu)差随流(liu)速升高(gao)先增(zeng)大後減小(xiao)，但最(zui)終(zhong)未(wei)減小(xiao)至零(ling)。出現上述(shu)現象的原(yuan)因在于,應力式渦街(jie)流量計(ji)是(shi)利用壓電(dian)探頭(tou)對交(jiao)替作(zuo)用在(zai)旋渦(wo)發生(sheng)體上的升(sheng)力的檢測(ce)進而(er)獲得渦街頻率(lü)的，而作用(yong)在旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)上的(de)升力與被(bei)測流(liu)體的(de)密度和流(liu)速平方成(cheng)正比。小流(liu)量時升力(li)幅值(zhi)小，易受到管道振動的幹(gan)擾,當振(zhen)動(dong)加速(su)度較(jiao)大時，振動(dong)信号的幅值超過了渦(wo)街升力(li)的幅值(zhi),有用信号幾(ji)乎(hu)完(wan)全被(bei)淹沒(mei),隻能檢測(ce)到管道振動信(xin)号,故(gu)渦(wo)街(jie)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數相(xiang)對誤差集(ji)中在一點。随(sui)着(zhe)流速(su)升高,作(zuo)用(yong)在旋渦發生體(ti)上的(de)升力幅(fu)值成平方倍(bei)的增長,而(er)管道振動(dong)加速度不(bu)變即振動(dong)幅值(zhi)不(bu)變(bian),故壓電探頭檢測到(dao)的混合信号中渦街有(you)用信号(hao)逐漸顯露出來。當管道振動加(jia)速度(du)爲(wei)第(di)1)種情況時(shi)，渦(wo)街信号(hao)幅值(zhi)随流(liu)速升(sheng)高而(er)迅速增強(qiang),最終(zhong)能夠(gou)抑制(zhi)管道(dao)的振動信(xin)号使儀表系數相對(dui)誤(wu)差減小(xiao)至零;當管(guan)道振(zhen)動加(jia)速度爲後(hou)兩種情況(kuang)時,在低流速下,檢測(ce)到的信(xin)号(hao)完全是振動信号,以(yi)此固定的(de)管道振動(dong)頻(pin)率(lü)作爲(wei)渦街(jie)的頻(pin)率信号,得出(chu)的(de)儀表(biao)系數當然(ran)随着流速的升高而(er)減小(xiao)，儀表(biao)系數繼續降(jiang)低,相對(dui)誤差增大(da)，随着(zhe)流速的升高，渦(wo)街信号(hao)幅(fu)度增大,信(xin)噪比相對(dui)提高時(shi),相(xiang)對誤(wu)差随(sui)之減小。而(er)振動加速(su)度爲(wei)0.5g的振動信号相(xiang)對較(jiao)強,渦(wo)街信(xin)号的幅值(zhi)随着(zhe)流速(su)的(de)升高雖(sui)然有(you)大幅提升(sheng),但仍(reng)無(wu)法(fa)完全(quan)有效(xiao)地抑制管(guan)道振動信(xin)号,儀表系數相對誤(wu)差有所(suo)減(jian)小,但(dan)不能(neng)減至零。

　　此(ci)外,除(chu)最低流速點(dian)外(wai),相同(tong)流速下渦(wo)街流(liu)量計(ji)的儀表系(xi)數相對誤(wu)差随(sui)振動加(jia)速度的(de)增加(jia)而增大,這是由(you)于(yu)振(zhen)動加(jia)速度的增加導(dao)緻管(guan)道振動幹(gan)擾的(de)幅(fu)度(du)變大(da),對渦(wo)街(jie)流量計(ji)信号輸出造成更加惡(e)劣(lie)的影(ying)響。由(you)以上(shang)試驗(yan)以及(ji)分(fen)析(xi)可以(yi)看出,普通模拟(ni)渦街(jie)流量(liang)計抗(kang)管道振(zhen)動(dong)的性能很(hen)差,不考慮(lü)其下限流(liu)速,振(zhen)動頻(pin)率(lü)爲40Hz時,隻(zhi)有在0.05g管道(dao)振動加速(su)度的情況(kuang)下,才能正(zheng)常工作。

4試驗信(xin)号頻(pin)譜分(fen)析
　　爲(wei)了觀測管(guan)道振動情(qing)況下渦(wo)街(jie)流量(liang)信号的特征,在(zai)上述(shu)試驗(yan)中還(hai)啓用(yong)了基于計(ji)算機(ji)的(de)信号采集系統,分别在(zai)上述五個(ge)流速(su)下，對(dui)經過電荷(he)放大和.低通濾(lü)波後的渦街正(zheng)弦信(xin)号進(jin)行數(shu)據采集(ji),利用頻(pin)譜分析(xi)軟件繪制出(chu)其(qi)對應的(de)頻譜圖。由前面(mian)對測量數據分(fen)析可(ke)知,0.05g和(he)0.5g兩個振動(dong)加速度情(qing)況下(xia)的(de)渦街特(te)性具(ju)備(bei)一定的(de)代表性。故(gu)此處(chu)僅以0.05g和(he)0.5g兩個振(zhen)動加速(su)度(du)情況下的(de)渦街(jie)信号(hao)爲例,說明其振動條(tiao)件(jian)下(xia)的渦(wo)街信(xin)号的(de)情況。其他(ta)振動加速(su)度的信号情況(kuang)均介于這兩種(zhong)情況之(zhi)間(jian)。

　　由圖(tu)3可知(zhi)，在5m/s和7.5m/s兩個(ge)低流速(su)點(dian)時,振(zhen)動信号比(bi)較強(qiang),渦街信(xin)号(hao)受到(dao)嚴重(zhong)影(ying)響，流量(liang)計輸出的脈沖頻率(lü)不是渦街(jie)頻率,而是(shi)振動(dong)信号(hao)與(yu)渦街信(xin)号合成的(de)頻率(lü),造成(cheng)了流量計(ji)的測(ce)量(liang)誤(wu)差。随着流(liu)速的(de)增大(da),渦街的真(zhen)實信(xin)号逐漸顯露出(chu)來,振動信(xin)号相(xiang)對比(bi)較微(wei)弱,被(bei)渦街真實的信号淹(yan)沒,此時流(liu)量計輸(shu)出(chu)的脈(mo)沖頻(pin)率即爲渦(wo)街信(xin)号(hao)的真實(shi)頻率。
　　從圖3和圖(tu)4可以看出(chu),0.5g振動加速度情(qing)況下(xia),渦街信号(hao)受管(guan)道振(zhen)動(dong)的影響(xiang)程度(du)與(yu)0.05g振(zhen)動加速度(du)相比(bi)要嚴(yan)重得多。雖然仍存在随(sui)着(zhe)流速(su)的增大,渦(wo)街信号逐(zhu)漸增強的(de)趨勢(shi)，但(dan)是(shi)在整(zheng)個試驗(yan)測量範(fan)圍内(nei),渦街(jie)信号(hao)都沒(mei)有完全顯(xian)露出(chu)來(lai),而(er)都是振動(dong)信(xin)号(hao)占據(ju)了主(zhu)導(dao)地(di)位。隻(zhi)有當(dang)流(liu)速比較(jiao)高時(shi)，振動信号(hao)中才疊加(jia)了渦(wo)街信号,而當流(liu)速相(xiang)對(dui)比較低(di)時,渦(wo)街信号完(wan)全被振動(dong)信号(hao)淹沒(mei)。儀表輸出的脈沖頻率爲(wei)振動(dong)信(xin)号(hao)的頻率。因(yin)此(ci)可以解(jie)釋圖2相對(dui)誤差(cha)曲線(xian)中0.5g振動加(jia)速度情(qing)況(kuang)下,誤(wu)差比(bi)較大(da),而且(qie)最終仍然(ran)沒有歸零的(de)原因。
5小(xiao)結　　
　　本文以應用(yong)最爲(wei)廣泛的應(ying)力式(shi)渦街(jie)流量計作爲研究對(dui)象,對其(qi)進(jin)行管道振(zhen)動條(tiao)件下(xia)的測(ce)量試驗,分(fen)析其信号(hao)頻譜(pu)的特(te)點。試驗結果表明(ming),不考慮(lü)其下限流(liu)速，振(zhen)動頻(pin)率爲(wei)40Hz時,隻(zhi)有在0.05g管道(dao)振動加速(su)度(du)的情況(kuang)下，才能正(zheng)常工(gong)作。

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