利用管壁差压检测涡街流量信号的研究

　　涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表, 具有结构简单、无可动部件、可靠性好、准确度高、范围度宽、适用介质广等其他流量计无法同时具备的优点[ 1, 2] , 因而发展迅速, 应用日趋广泛。测量原理如图1 所示, 管道中垂直插入一非流线型对称形状的旋涡发生体, 当流体绕过发生体时, 在发生体两侧会交替产生规则的旋涡, 频率为f 。流体的体积流量Q 与旋涡频率f 符合以下公式[ 3] :

　　式中K 为流量计的流量系数。在一定雷诺数范围内K 为常数, 体积流量Q 与旋涡频率f 具有线性关系。因此, 只要测出旋涡频率f , 就能求得体积流量Q。

　　如何准确地检测出旋涡频率信号, 简化涡街流量计传感器系统, 是涡街流量计的关键, 一直以来是国内外研究的热点之一。如张宏建、徐科军等提出多种信号处理方法对涡街流量信号进行处理, 以抑制干扰提高测量准确度[ 4, 5] ; Hans、Lavante 等通过改变旋涡发生体形状来提高输出信号质量[ 6~ 8] , 但是二次旋涡( secondary vortex ) 问题一直未能很好解决;Miau 等设计了一种T 形旋涡发生体以利用差压原理来检测旋涡频率[ 9] , 然而发生体形状复杂,不便于实际应用。

　　根据涡街流量计的基本原理, 本文提出在管壁上安装差压传感器, 通过检测尾流中贴近管壁处的差压信号的频率来检测旋涡频率。为了区别其他差压法, 以下称之为管壁差压法。这种方法不仅具有原理简单, 准确度较高, 工作可靠, 成本低, 抗干扰性较强, 在一般工业测量中易实现等特点, 而且能够简化涡街流量计传感器系统, 消除传感器对尾流的影响, 实现传感器在线维修和更换。实验结果表明, 通过选择合适的取压位置, 采用管壁差压法检测旋涡频率是可行的, 并且具有较强的抗干扰性。

　　1 涡街流量信号的检测方法

　　常用的涡街流量传感器可以分为一体式和分体式两类: 一体式的检测元件放在旋涡发生体内;分体式检测元件则装在旋涡发生体下游。它们均利用旋涡产生时引起的波动进行测量, 常用的检测方式有[ 10] :

　　¹ 用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压的波动;

　　º 旋涡发生体上开设导压孔, 在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压的波动;

　　» 检测旋涡发生体周围交变环流的变化;

　　¼ 检测旋涡发生体背面交变差压的波动;

　　½ 检测尾流中旋涡列的变化。

　　根据这5 种检测方式, 可采用的检测元件( 如热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等) ,从而构成不同类型的涡街流量计。这些方法各有特点, 其中存在的共同缺点是: 传感器系统结构复杂, 容易干扰旋涡尾流( 如分体式) , 传感器与发生体结合在一起, 更换传感器时一般需要切断管流,同时拆下旋涡发生体, 这对连续生产的过程十分不利。