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

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072)

渦街流量計基于卡門渦街原理。當流體通過漩渦發生體后，在發生體兩側產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前流速。在渦街流量計的設計過程中，振動、電磁干擾及低流速測量等問題一直阻礙著其發展和應用[1]。

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

當前，國內外學者為解決渦街流量計抗振問題做出了廣泛而深入的研究，就探頭抗振結構方面有如下研究：選擇在梁結構的振動彎矩零點處粘貼壓電陶瓷來檢測渦街信號；使用懸臂梁結構，在探頭內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償探頭內壓電元件檢測到的渦街振動混合信號[4]；雙探頭內置于管道中，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，并關于法蘭上下對稱制成三線共地渦街探頭[6]；菱形探頭設計，檢測探頭扭矩，探頭管道內部分設計成菱形，管道兩側的漩渦分別作用在菱形探頭的前后鍥面，使其產生扭矩。壓電晶體按照檢測扭矩的方式安裝，振動信號不產生扭矩，從而實現純渦街信號檢測[7]。

1 識別渦街測量中振動信號的方法①

從文獻可以看出，當前渦街探頭的抗振設計主要還是以信號補償和進行數字處理為主，這些方法理論上效果很好，但在實際應用中，由于探頭制作工藝水品不高，無法達到設計原理中的對稱結構或壓電元件的對稱安裝要求，致使補償效果不佳；或者由于振動問題本身較為復雜，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際運用效果與理論差距甚遠。

事實上，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理上進行區分有著重要意義。筆者從振動載荷與渦街載荷作用方向的差異出發，提出區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，并通過實驗驗證此方法的可行性，揭示其解決抗振問題的潛力。

1.1 實驗裝置

為模擬管道振動，建立如圖1所示的基于電磁振動臺的負壓法氣體管道振動裝置。管道末端連接離心風機從管道中抽氣，保證實驗管段微負壓。PC機通過RS485總線連接，控制變頻器來調節風機轉速從而改變管道內的氣體流速。實驗暫不要求精確的流量控制，所以整個系統流量控制為開環。氣體流量通過氣體渦輪流量計讀取(精度1%，口徑50mm，流量測量范圍5～100m3/h)。實驗管段口徑D=50mm，儀表上游直管段長20D，下游長10D，實驗管段和儀表通過夾具固定在振動臺上。為了防止實驗管段的振動影響標準表，實驗管段和下游管段采用軟管連接。整個振動臺系統以閉環控制方式運行，可輸出正弦、隨機及脈沖等不同形式、不同強度的激振力。

圖1 基于電磁振動臺的負壓法氣體管道振動裝置

1.2 管道振動的基本現象

在提出新的檢測方式之前，先討論一個關于管道振動的基本現象。工業現場的振動情況十分復雜，振動形式、幅度、頻率還有方向都不唯一，尤其是振動方向。工業現場的振源多為風機及空壓機等機械設備，這些設備的振動方向至少是在某個二維平面內變化的；同時，工業管道的質量分布不均勻也會導致振動在其上傳遞過程中會發生方向擴散。換句話說，由于管道振動導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做不確定方向運動。筆者通過實驗驗證該現象。

實驗管段在振動臺上的安裝方式如圖2所示。實驗管段通過夾具固定在振動臺上，表體伸出實驗臺面且與實驗臺面中心距離為L；以此模擬振源使管道振動，激振力通過管道傳遞到表體。控制振動臺使其保持z方向正弦振動，頻率分別為30、50、100Hz，強度為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。

圖2 實驗管段在振動臺上安裝方式

圖3 3個方向上加速度計的輸出電壓與頻率關系

首先，從圖3中任意一幅圖均可以發現：雖然激振力方向為z軸方向，但振動經過管道傳遞后，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幅圖的曲線可以發現，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。這是因為在保持加速度不變的條件下，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，最終到達儀表時各個方向上已無法產生有效的分量。最后，對比3幅圖的曲線可以發現，隨著表體不斷遠離振源(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，這跟實驗管段的固定有關。由于實驗管段的一端處于懸空狀態，近似于懸臂梁振動，越遠離固定端，振動幅值越大。因此在L=900mm實驗條件下，各個方向振動分量也就增大。

1.3 區分振動信號的思路

從上述實驗可以看出即使是單一方向的激振力，經過管道傳遞后作用在儀表上時，在3個軸向都會產生振動分量。因此振動信號具有方向上多樣、不唯一的特點，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，在此基礎上對y方向信號進行處理即可區分出振動干擾和渦街信號，以此提出以方向區分二者的新思路。加速度作為既有方向又有大小的矢量信號，在方向的區分上有著自身的優勢。基于MEMS工藝的三軸加速度計采用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生y軸向的形變，形變通過加速度信號反映，分析加速度計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軸的混疊信號進行區分。傳統檢測方式只能得到一維信號，而通過三軸加速度計檢測到的信號上升為三維信號，可以為后續抗振處理提供更多信息。

2 驗證實驗

2.1 無振動條件下渦街測量實驗

將加裝加速度計的渦街探頭安裝在表體上進行實流實驗，首先進行無振動情況下流量實驗。關閉振動實驗臺，開啟風機并將流量調節至66.1m3/h，采集探頭輸出的三軸向加速度信號并對信號進行功率譜分析。

從圖5可以看出，在無振動情況下，x、y軸的 功率譜分析結果沒有發現有明顯的尖峰頻率，只有渦街敏感軸z軸在功率譜分析中出現了164Hz的尖峰，這個尖峰頻率在10s的信號采集時間內穩定存在，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驗

接下來開啟振動臺，設定振動臺保持100Hz頻率、0.1g強度的正弦振動狀態，同時開啟風機并調節流量至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、串擾較難去除，不過由于渦街頻率和振動頻率距離50Hz較遠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，渦街信號強度會不斷地減小，最終小于振動信號強度，或者當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分出來。觀察振動信號敏感軸x軸信號，發現沒有檢測到渦街信號或者檢測到的渦街信號強度遠遠小于振動信 號，那么通過x軸信號可以方便地獲得振動干擾頻率。結合渦街敏感軸z軸和振動敏感軸x軸的信號進行分析和處理，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 結束語

渦街流量計基于流體振動原理，其對振動干擾尤為敏感。解決振動干擾對于渦街流量計發展有著重要意義。筆者通過實驗證明了由于振動產生及傳導的復雜性，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分渦街信號和振動信號的方法。將加速度傳感器與探頭結合，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。實驗證明了這種新方法的可行性，為渦街流量計抗振研究提供了新的思路。

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