摘要：選擇傳統應力式渦街流量計,通過管道振動條件下的測量試驗結合頻譜分析方法,研究其抗振性能。試驗結果表明,不考慮其下限流速,振動頻率為40Hz時,只有在0.05g管道振動加速度的情況下,才能正常工作。
0引言
渦街流量計利用流體經過旋渦發生體后產生的振動進行流量測量[1-2],因其介質適應性強、無可動部件、結構簡單、可靠性高等特點而被廣泛使用”。正是因為其以流體振動為測量原理,在管道振動的情況下,渦街流量計的使用受到了限制。
國內外諸多學者及研究機構對渦街流量計抗振性和振動環境下渦街流量計的使用進行了大量研究[4-7]。本文以國內外應用最為廣泛的應力式渦街流量計作為研究對象,在氣體流量管道振動試驗裝置上,在相同流速范圍內進行了相同振動頻率不同振動加速度的管道振動試驗，研究了應力式渦街流量計在管道振動條件下的抗振性能。
1試驗裝置
圖1為氣體流量管道振動試驗裝置結構圖。為避免氣體壓力波動,空氣壓縮機先將大氣中的空氣壓縮打人穩壓儲氣罐中，高溫壓縮空氣經過冷千機冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經氣路總閥、氣動調節閥、渦輪流量計(標準表)、渦街流量計(被校表)后,最終通向大氣。本文選用的振動臺,具有頻率調節(1~400Hz)、簡易調整加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能,從而使設定頻率下不同振動加速度的管道振動試驗得以實現)。
試驗中對渦街流量計的流量校準采用標準表法,即由渦輪流量計測得的流量值和渦輪流量計表前壓力變送器測得的壓力值便可換算得到流經被測渦街流量計的體積流量(管路中氣體溫度變化很小,忽略不計)。標準表渦輪流量計的最大允許誤差為±1%,內徑為50mm，流量范圍為5~100m3/h;兩個壓力變送器的最大允許誤差均為±2%
2試驗條件
為了分析管道振動對渦街流量計測量的影響，分別在5,7.5,11,15.5,20.5m/s五個流速,施加豎直方向振動,振動頻率40Hz,振動的加速度分別為0.05g,0.1g,0.2g,0.5g。
3試驗數據結果分析
選用國內生產的普通應力式模擬渦街流量計,在圖1所示的氣體管道振動試驗裝置上進行測量試驗。試驗數據如表1所示。將測量數據整理分析，繪制其不同加速度振動條件下儀表系數相對于無管道振動時儀表系數的相對誤差曲線如2所示。
在相同的振動加速度下不同流速對渦街流量計測量影響的程度是不同的。低流速時渦街流量計受管道振動影響更加嚴重,輸出脈沖的頻率即為管道振動的頻率。在振動加速度較大時，低流速點5m/s處的儀表系數的相對誤差集中在-一點。隨著流速的升高,渦街流量計受管道振動影響根據振動加速度的不同可分為以下幾種情況:1)管道振動加速度為0.05g、0.1g時,渦街流量計儀表系數相對誤差隨流速的升高而減小，最終減小至零;2)管道振動加速度為0.2g時,渦街流量計儀表系數相對誤差隨流速升高先增大后減小，最終減小至零;3)管道振動加速度為0.5g時,渦街流量計儀表系數相對誤差隨流速升高先增大后減小，但最終未減小至零。出現上述現象的原因在于,應力式渦街流量計是利用壓電探頭對交替作用在旋渦發生體上的升力的檢測進而獲得渦街頻率的，而作用在旋渦發生體上的升力與被測流體的密度和流速平方成正比。小流量時升力幅值小，易受到管道振動的干擾,當振動加速度較大時，振動信號的幅值超過了渦街升力的幅值,有用信號幾乎完全被淹沒,只能檢測到管道振動信號,故渦街流量計儀表系數相對誤差集中在一點。隨著流速升高,作用在旋渦發生體上的升力幅值成平方倍的增長,而管道振動加速度不變即振動幅值不變,故壓電探頭檢測到的混合信號中渦街有用信號逐漸顯露出來。當管道振動加速度為第1)種情況時，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強,最終能夠抑制管道的振動信號使儀表系數相對誤差減小至零;當管道振動加速度為后兩種情況時,在低流速下,檢測到的信號完全是振動信號,以此固定的管道振動頻率作為渦街的頻率信號,得出的儀表系數當然隨著流速的升高而減小，儀表系數繼續降低,相對誤差增大，隨著流速的升高，渦街信號幅度增大,信噪比相對提高時,相對誤差隨之減小。而振動加速度為0.5g的振動信號相對較強,渦街信號的幅值隨著流速的升高雖然有大幅提升,但仍無法完全有效地抑制管道振動信號,儀表系數相對誤差有所減小,但不能減至零。
此外,除最低流速點外,相同流速下渦街流量計的儀表系數相對誤差隨振動加速度的增加而增大,這是由于振動加速度的增加導致管道振動干擾的幅度變大,對渦街流量計信號輸出造成更加惡劣的影響。由以上試驗以及分析可以看出,普通模擬渦街流量計抗管道振動的性能很差,不考慮其下限流速,振動頻率為40Hz時,只有在0.05g管道振動加速度的情況下,才能正常工作。
4試驗信號頻譜分析
為了觀測管道振動情況下渦街流量信號的特征,在上述試驗中還啟用了基于計算機的信號采集系統,分別在上述五個流速下，對經過電荷放大和.低通濾波后的渦街正弦信號進行數據采集,利用頻譜分析軟件繪制出其對應的頻譜圖。由前面對測量數據分析可知,0.05g和0.5g兩個振動加速度情況下的渦街特性具備一定的代表性。故此處僅以0.05g和0.5g兩個振動加速度情況下的渦街信號為例,說明其振動條件下的渦街信號的情況。其他振動加速度的信號情況均介于這兩種情況之間。
由圖3可知，在5m/s和7.5m/s兩個低流速點時,振動信號比較強,渦街信號受到嚴重影響，流量計輸出的脈沖頻率不是渦街頻率,而是振動信號與渦街信號合成的頻率,造成了流量計的測量誤差。隨著流速的增大,渦街的真實信號逐漸顯露出來,振動信號相對比較微弱,被渦街真實的信號淹沒,此時流量計輸出的脈沖頻率即為渦街信號的真實頻率。
從圖3和圖4可以看出,0.5g振動加速度情況下,渦街信號受管道振動的影響程度與0.05g振動加速度相比要嚴重得多。雖然仍存在隨著流速的增大,渦街信號逐漸增強的趨勢，但是在整個試驗測量范圍內,渦街信號都沒有完全顯露出來,而都是振動信號占據了主導地位。只有當流速比較高時，振動信號中才疊加了渦街信號,而當流速相對比較低時,渦街信號完全被振動信號淹沒。儀表輸出的脈沖頻率為振動信號的頻率。因此可以解釋圖2相對誤差曲線中0.5g振動加速度情況下,誤差比較大,而且最終仍然沒有歸零的原因。
5小結
本文以應用最為廣泛的應力式渦街流量計作為研究對象,對其進行管道振動條件下的測量試驗,分析其信號頻譜的特點。試驗結果表明,不考慮其下限流速，振動頻率為40Hz時,只有在0.05g管道振動加速度的情況下，才能正常工作。
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