提出了利用FFT相位判別來(lái)消除流場(chǎng)脈動(dòng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量影響的方法,研究了流體脈動(dòng)對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)旋進(jìn)旋渦效應(yīng)特性的影響,在流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)50mm口徑旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明:流體脈動(dòng)干擾壓力與旋進(jìn)旋渦效應(yīng)的脈動(dòng)壓力間存在線性迭加關(guān)系以及流場(chǎng)脈動(dòng)干擾使旋進(jìn)旋渦流量計(jì)傳感器輸出產(chǎn)生主頻移動(dòng)現(xiàn)象。數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明了本方法的有效性。
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是一種新型的流體振動(dòng)流量計(jì)。其主要特點(diǎn)是無(wú)活動(dòng)部件,對(duì)測(cè)量介質(zhì)的適應(yīng)性廣,線性測(cè)量范圍寬,可應(yīng)用于氣體、液體和蒸汽的計(jì)量。但旋進(jìn)旋渦的強(qiáng)度較弱,當(dāng)待測(cè)系統(tǒng)附近有振動(dòng)或噪聲源,或流體內(nèi)部波動(dòng)或管壁振動(dòng)時(shí),其計(jì)量精度就會(huì)受到明顯的影響[1～4]。對(duì)待測(cè)流體及其環(huán)境條件的苛刻要求,極大地限制了其工業(yè)應(yīng)用。為此,人們從不同角度進(jìn)行了研究,歸納起來(lái),主要是從兩條途徑進(jìn)行研究:
(1)針對(duì)流體振動(dòng)型流量計(jì)目前采用的放大、濾波、整形和計(jì)數(shù)的方法,不能從含有管道的機(jī)械振動(dòng)和流場(chǎng)的不穩(wěn)定等噪聲信號(hào)中準(zhǔn)確提取頻率信息,以至于流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量精度達(dá)不到指標(biāo)規(guī)定的要求。人們提出采用數(shù)字信號(hào)處理方法處理流量傳感器的信號(hào),其主要包括:基于FFT(快速傅立葉變換)的周期圖法[5],自適應(yīng)陷波濾波方法[6],互相關(guān)方法[7],數(shù)字跟蹤濾波方法[8～11]和小波變換方法[12]。雖然上述方法對(duì)解決測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)外界干擾引起的傳感器輸出信號(hào)中波形畸變而導(dǎo)致的傳統(tǒng)二次儀表計(jì)數(shù)誤差是有效的,但沒(méi)有考慮到由于流體脈動(dòng)干擾引起的主頻移動(dòng)現(xiàn)象的影響。
(2)針對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)旋進(jìn)旋渦效應(yīng)脈動(dòng)壓力的相差現(xiàn)象,人們提出利用對(duì)稱信號(hào)差分處理來(lái)解決旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗干擾問(wèn)題。1991年Hein Richs做了用集成差分傳感器降低旋進(jìn)旋渦流量計(jì)量程下限的實(shí)驗(yàn)研究[13];2000年傅新等人用流體力學(xué)仿真對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,進(jìn)而提出對(duì)稱信號(hào)差分處理抗干擾的思路[14]。但簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱信號(hào)差分處理只能解決相位和幅值都相同的共模噪聲對(duì)傳感器輸出信號(hào)波形的影響;并且由于其對(duì)安裝工藝和傳感器的極其嚴(yán)格的對(duì)稱要求,使該方法在工業(yè)上的使用受到極大限制。
本文就流場(chǎng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。明確了流體脈動(dòng)干擾壓力與旋進(jìn)旋渦效應(yīng)的脈動(dòng)壓力的線性迭加關(guān)系以及流場(chǎng)脈動(dòng)干擾使旋進(jìn)旋渦流量計(jì)傳感器輸出產(chǎn)生主頻移動(dòng)現(xiàn)象;并且對(duì)旋進(jìn)旋渦有效信號(hào)和脈動(dòng)干擾信號(hào)進(jìn)行相位分析,得出對(duì)稱軸線旋進(jìn)旋渦有效信號(hào)具有接近180°相位差,而流體脈動(dòng)干擾信號(hào)接近0°相位差的結(jié)論。分析了現(xiàn)在采用的數(shù)字信號(hào)頻率提取和對(duì)稱差分信號(hào)處理的缺點(diǎn),在此基礎(chǔ)上提出基于FFT相位判別的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗流場(chǎng)脈動(dòng)干擾方法,并給出仿真結(jié)果。
2 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的原理[1～4]
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流體的旋進(jìn)旋渦效應(yīng)脈動(dòng)壓力頻率來(lái)得到流體體積的流量計(jì)。圖1為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的原理圖。
流體經(jīng)過(guò)固定旋渦發(fā)生葉片產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),附加一個(gè)切向的速度到軸向運(yùn)動(dòng)的流體,這樣就產(chǎn)生了連續(xù)的旋渦系列而構(gòu)成一個(gè)旋渦流,稱之為“渦勢(shì)”,其中心為旋渦核(旋渦中心流),外圍為環(huán)流,其流經(jīng)變送器收縮段時(shí)渦流加速,此時(shí),渦核直徑沿流動(dòng)方向逐漸縮小,旋渦強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),達(dá)到擴(kuò)大段時(shí),由于旋渦急劇減速,壓力上升,旋渦中心區(qū)的壓力比周圍低,于是就產(chǎn)生了回流。在回流的作用下,旋渦流偏離原前進(jìn)方向,迫使渦核在擴(kuò)大段作一種類似陀螺的運(yùn)動(dòng),旋渦流的進(jìn)動(dòng)是貼近擴(kuò)大段的壁面進(jìn)行的。由于旋進(jìn)旋渦頻率與流體的流速成正比,因此,測(cè)得旋進(jìn)旋渦頻率即能反映出流速和體積流量的大小。
3 流場(chǎng)脈動(dòng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量影響實(shí)驗(yàn)研究
3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)原理圖。實(shí)驗(yàn)裝置為氣體流量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它由5個(gè)部分組成。Ⅰ——流場(chǎng)干擾模擬裝置,用于在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬流場(chǎng)波動(dòng);Ⅱ——實(shí)驗(yàn)表體;Ⅲ——標(biāo)準(zhǔn)流量校準(zhǔn)裝置,采用臨界流文丘利噴嘴流量計(jì)作為校準(zhǔn)其它儀表的基準(zhǔn);Ⅳ——壓差產(chǎn)生裝置,通過(guò)真空泵產(chǎn)生負(fù)壓,入口和出口之間產(chǎn)生一個(gè)壓差,形成小型風(fēng)洞;Ⅴ——計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng),用于測(cè)量傳感器的輸出,主要由電荷放大器及用于采樣計(jì)算的美國(guó)DACTRON公司Photo便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀(該分析儀的主要特性和性能指標(biāo):4個(gè)輸入通道, 1個(gè)輸出通道; 120MHz TMS320VC33DSP,21kHz處理率;32位浮點(diǎn)DSP;ICP傳感器供電;USB接口,支持熱插拔;重量小于200g,抗振動(dòng)外殼)和計(jì)算機(jī)所組成。
3.2 實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)傳感器采用上海測(cè)試技術(shù)研究院生產(chǎn)的直徑7mm壓電式壓力傳感器,其固有頻率響應(yīng)可達(dá)幾十kHz。實(shí)驗(yàn)節(jié)流時(shí)間大于15s。實(shí)驗(yàn)的體積流量范圍可從5.5～220.5m3/h(對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Re=2595～1.0404×105)間斷分布。實(shí)驗(yàn)的管道內(nèi)徑50mm。為得到充分發(fā)展的湍流,實(shí)驗(yàn)段的入口直管道長(zhǎng)度為800mm(>10d),在無(wú)周期擾動(dòng)并無(wú)旋進(jìn)旋渦的狀態(tài)下的流動(dòng)狀態(tài)是充分發(fā)展的湍流。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
為研究流場(chǎng)脈動(dòng)對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量的影響,分別對(duì)脈動(dòng)流在直管道中的傳播特性及脈動(dòng)流場(chǎng)中旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
3.3.1 脈動(dòng)流管道傳播特性實(shí)驗(yàn)
圖3為脈動(dòng)流管道傳播實(shí)驗(yàn)示意圖。對(duì)稱于軸線安裝兩個(gè)傳感器,以便于了解對(duì)稱于軸線兩側(cè)的流體脈動(dòng)流特性。
圖4,圖5是典型的同一擾動(dòng)頻率下不同流量脈動(dòng)流管道傳播特性曲線(圖中Q是流量,fd是流場(chǎng)干擾模擬裝置擾動(dòng)頻率)。脈動(dòng)流管道傳播基本特性與擾動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論:
(1)在相同擾動(dòng)頻率下,不同流量的流體壓力脈動(dòng)是不相同的,但其頻域主頻是相同的,幅值隨流量的增加而增大。在同一流量下,對(duì)稱軸線兩側(cè)的壓力脈動(dòng)的相差接近于零,而且波動(dòng)的強(qiáng)度相近。
(2)管道的壓力脈動(dòng)頻率和擾動(dòng)的頻率是不一樣的,管道流壓力脈動(dòng)頻率高于擾動(dòng)頻率。這是由于流體壓力的擾動(dòng)和管道耦合作用所產(chǎn)生流體波動(dòng)的頻率高于擾動(dòng)的頻率。
3.3.2 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)均勻流、脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)
圖6為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)均勻流、脈動(dòng)流測(cè)量示意圖,對(duì)稱于軸線安裝兩個(gè)傳感器,以便于了解對(duì)稱于軸線兩側(cè)的旋進(jìn)旋渦特性。
圖7,圖8是典型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)均勻流、脈動(dòng)流測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖9是不同干擾頻率下旋進(jìn)旋渦流量計(jì)旋進(jìn)旋渦壓力脈動(dòng)主頻與流量的校準(zhǔn)曲線。圖10是脈動(dòng)流測(cè)量相對(duì)誤差曲線,這里定義頻率相對(duì)誤差δ=(FQfd-FQ0)/FQ0;其中FQfd是流量Q下擾動(dòng)頻率為fd時(shí)的旋進(jìn)旋渦頻率,FQ0為流量Q下均勻流中旋進(jìn)旋渦頻率。
從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:
流體脈動(dòng)干擾會(huì)使旋進(jìn)旋渦流量計(jì)脈動(dòng)流的測(cè)量發(fā)生移頻現(xiàn)象,這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在流量比較小的情況下。頻率移動(dòng)的程度隨擾動(dòng)頻率的提高而增強(qiáng),最大的偏差可達(dá)500%左右。故在此種情況下通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理提取頻率信號(hào)將失效,無(wú)法得到正確的流量。移頻現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的頻率是流體脈動(dòng)干擾所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)頻率。
