渦街（jiē）流量（liàng）計（jì）抗管道周期振動（dòng）性（xìng）能的（de）試（shì）驗研究

摘要：為研（yán）究渦街流量計在管道周期振動（dòng）情況下的抗振性能，對國內廣泛應用的應力式模擬渦街流量計，在氣體流量管道（dào）周期振動試驗裝置上（shàng）進行了不同（tóng）振（zhèn）動加速度和方向的試驗。通（tōng）過對振動產生儀表係數相對誤差的研究，得出模擬渦（wō）街流量計（jì）的抗振加速度，並分析了此時渦街流量傳感器輸出信號的（de）品質特征。*後，為與模擬渦街作比較，對69久久精品无码一区二区生產（chǎn）的數字渦街流量計進行了（le）相同的管道周期振動試驗，研究了數字渦街的抗振性能（néng），並發現振動倍頻信號是導致儀表係數相對誤差出現的主要原因（yīn）。

1、引言

渦街（jiē）流量計具有（yǒu）無（wú）可動部件、對（duì）流體物性變化（huà）不敏感、適用（yòng）於多種介質、壓力損失小、輸出（chū）與流（liú）體流速成正（zhèng）比的脈衝信號等優點，廣泛應用於計量和工業過程（chéng）控製領域中。但是（shì），渦街流量計本質上是流體振動（dòng）型流量計（jì），它對機械振（zhèn）動、流體的流動狀態特別敏（mǐn）感，不僅可以感受傳感器受到的渦街力，還可以感受到（dào）傳感器受到的其他力，如管道周期振動、流體脈動以及流體的衝擊力等，這些幹擾（rǎo）勢必會對渦（wō）街（jiē）流量計的（de）正常計量產生很大影響。在流體脈動方麵研（yán）究較多，國外Hebrard等（děng）和Peters等研究了脈動的流體對渦街流量計測量精度的（de）影響；國內蒙建波等和（hé）徐科軍等（děng）借助仿真手段研究了周期性脈動流條件下（xià）渦街流量傳（chuán）感器輸出信號的頻率測量方法。Miau等還專門研究了衝擊振動情況下對壓電式渦街流量計輸出的影響。而關於管道周期振動方麵，文獻很少，僅荷（hé）蘭T**-TPD流量中心對商用渦街流量計通過電流輸出誤差分析研究管道振動對測量產生的影響。可是管道周期振（zhèn）動現象普遍存在於（yú）工業現場（chǎng）(如（rú）壓縮機、鼓（gǔ）風機、泵等（děng）動力設備引起的管道振動)，而目前尚無有關渦街流量計抗管道周（zhōu）期振動的統（tǒng）一標準。

本文擬定渦街（jiē）流量計儀（yí）表係數相對誤差絕對值小於（yú）3%作為渦街流量計抗管道周期振動的標準，對國內廣泛使用（yòng）的應力式模擬渦街流量計進行了不同（tóng）振動加速度的試驗，研究其抗振（zhèn）性能（néng），並分析了渦街信號品質特性（xìng），*後對69久久精品无码一区二区（míng）公司的數字渦街流（liú）量計進行（háng）了相同的管道周期振動試驗，分析其抗振性能。

2、試驗裝置

氣體流量管道（dào）周期振動試驗裝置（zhì）結構如圖1。為避免氣體壓力（lì）波動，圖中設備1先將（jiāng）空氣壓（yā）縮打人2中，經3冷卻除濕後，得到的純淨氣體先後流經4、5、7、10後，通向大氣。流量校準采用渦（wō）輪標準表法，渦輪流量計內徑50mm，流（liú）量範圍5～100m3/h，精度為1%。兩台壓力（lì）變送器的（de）精度均為（wéi）2‰。

管（guǎn）道周期振動試驗（yàn）設備由11、12組成（chéng），實物如圖2。11為激振設備，由振動台（tái）體和控製器組成，具有調頻(1～400Hz)、定加速度(<20g)/振幅、輸出正弦類波形等功能，從而使不同加（jiā）速度和頻率下的周期（qī）振動試驗（yàn）得以實現。12為測振設備，采用壓電式加速度傳感器準確測量渦街流量（liàng）計所在（zài）處管道振動狀態。由於（yú）振動台為單自由度，僅能產生垂直方向即圖1中Y方向管（guǎn）道振動，為了（le）實現水平方向管道（dào）振動，將（jiāng）渦（wō）街流量計旋轉90°安（ān）裝如圖2(b)，此時，振動台工作方向相對於（yú）渦街流量計即實現了圖1所示的（de）x方向。為避免（miǎn）管道振動對渦輪標準表產生（shēng）影響，在渦（wō）街（jiē）流量計（jì）上遊2.5m處加裝（zhuāng）軟管以消除機械振動。

3、模擬（nǐ）渦街流量計管道振動試驗

3.1管道振動頻率的選擇（zé）管道的機械振動大多數是由空壓機、離心泵所激勵的，這些設備本質都是電動機的轉動，激振（zhèn）頻率與電機的轉速頻率密切相關。現有（yǒu）電機的（de）轉速大部分小於3000r/min，對應的*大轉速頻率為50Hz。試驗中選擇（zé）40Hz來模擬（nǐ）工業現場的管道振動頻（pín）率。

3.2抗振性能標準（zhǔn）的擬定（dìng）

渦街流（liú）量計的儀表係數是渦街（jiē）流量計（jì）進行流量計量的一個重要參（cān）數，其線性度好壞（huài）直接影響著渦（wō）街流量計測量的（de）精度。鑒（jiàn）於目前渦街流量（liàng）計的抗振標準尚未出現，且試驗中使用的氣體渦街流量計精度為1.5級，本文擬定儀表係（xì）數相對誤差絕對值（zhí）小於3％作為渦街流量計抗管道振動的標（biāo）準。

3.3管道周期振動試驗（yàn）結（jié）果及分析

以應力式模擬渦街流量計為被測對象，在5m/s、7.5m/s、11m/s、15.5m/s、20.5m/s流速下（xià），分別進行了無振動和施加管道周期振動（dòng）的實流標（biāo）定（dìng）試驗。管道振動方向為垂直方向和水平方向，加速度為（wéi）0.05-0.5g。根據試驗數據，繪製出不同管道振動（dòng）加速度下渦街儀表係數相對（duì）於無管道（dào）振動（dòng）時平均儀表係數的相對誤差曲線，垂直方向結果如圖3(a)所示。

由圖3(a)可知，一方麵，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（shí）受管道（dào）振動影響更加嚴（yán）重，渦街流量計輸出脈衝頻率即為管道振動（dòng）頻率，如振動（dòng）加速度較（jiào）大時，5m/s處相對誤差集（jí）中（zhōng）在一點。隨著流速的升高（gāo），渦街流量計受管道（dào）振動影響（xiǎng）根據振動加速度的不同可分為以下三種情況：

(1)管道振（zhèn）動加速度為0.05g、0.1g時，儀表係數相對誤（wù）差隨流速的升高而減小，*終減小至零；

(2)管道振動加速度（dù）為0.2g時（shí），儀表係數相對誤差隨流速升高先增（zēng）大後（hòu）減小，*終減小至零；

(3)管道振動加速度為0.5g時，儀表係數相對（duì）誤差隨流（liú）速升高先增大後減小，但*終未減（jiǎn）至零。

出現上述現象的原因在於：應（yīng）力式渦街流量計是（shì）利用壓電探頭對交替作用在其上的（de）升力的檢測獲得渦街頻率的，而升力與（yǔ）被測流體的密度和流速平方成正比。低流速時升力幅值小，易（yì）受到管道振動的幹（gàn）擾，當振動加速度較大時，振動信號（hào）的幅值超過（guò）了渦街升力的幅值，有用信號完全被淹沒。隻能（néng）檢測到管道振動信號，故儀表係數相對（duì）誤差集中在一點（diǎn）。隨著流速升高，作用在旋渦發生體上的升力幅值成（chéng）平方倍增長，而管道振動加速度不變即振動幅值不變，故壓（yā）電探頭檢測到的混合（hé）信號中渦（wō）街有用信號逐漸顯露出來。當管道振動加速度為*(1)種（zhǒng）情況時，渦街信號幅值隨流速升高而迅速增強（qiáng），*終（zhōng）能夠抑製振動信號使誤差減小至零。當管道振動加速度為(2)(3)情況時，在低流速下（xià），檢測到（dào）的（de）信號完全是振動信號，以此固（gù）定的管道振動頻率作為（wéi）渦街輸出頻率，得出的儀表係數（shù）自然隨流速升高而減小，導致相對誤差增大；隨著流速的（de）升高，渦街信號幅度增大，信噪（zào）比提高，相對誤差隨之減小，而振動加速度（dù）為0.5g時振動相對較強，渦街（jiē）信號幅（fú）值隨流速升高雖（suī）有大幅提升，但仍（réng）無（wú）法完全抑製（zhì）振動（dòng）信號，儀（yí）表係數（shù）相對誤差有所減小，但未減至零。

另一方麵，除（chú）*低流速（sù）點外，相同流速下儀表係（xì）數相對誤差隨振（zhèn）動加速度的增（zēng）加而增大，這是由於振動加速度的增加導致管道振動幹擾（rǎo）的幅度（dù）變大，對渦街流量計脈衝輸出造成更加惡劣的影（yǐng）響。

為（wéi）了對（duì）比不同方向管（guǎn）道振動對渦街流量計測量的影響，將管道振動改為水平方向重新（xīn）進行試驗，得到圖3(b)曲線（xiàn）。通過與圖3(a)比較，發現兩種情況下流速及振動加速度對儀（yí）表係數相對誤（wù）差的影響趨勢類似。依據先前擬定的抗振標（biāo）準（zhǔn），應力式模擬

渦街流量計抗管道振動的性能較差，垂直（zhí）方向抗（kàng）振加速（sù）度為0.05g，水（shuǐ）平方向抗振加速度小於（yú）0.05g。

3.4渦街信號品質分析

為了（le）觀測管（guǎn）道周期（qī）振動下渦（wō）街流（liú）量信（xìn）號的特征，利（lì）用NI USB-6009數據采集卡對渦街正弦信號（hào）進行采樣。以垂直方向管道振動加速度（dù）為0.1g為（wéi）例，給出了不同流速下渦街信號（hào）的時頻域圖，如圖4所示。由時（shí）域部分可知，管道振動下渦街（jiē）流量傳感器輸出的信號為真實旋渦脫落信號和管道振動信號的合成信號。低流速(≤1lm/s)時，管（guǎn）道振動信號強、占主要（yào）成分（fèn），渦街信號疊加在其上；隨（suí）著流（liú）速變大(11～20.5m/s)，渦街信號逐（zhú）漸顯露出來成為主要（yào）成分（fèn）、淹沒振（zhèn）動信號。由頻域可知，振動信號成分較單（dān）一，呈尖峰狀（zhuàng），幅值為定值，不隨流速變化（huà）而變，除40Hz基頻外還有2、3倍頻出現；而渦街信號（hào）成分稍複雜，呈塔（tǎ）峰狀，幅值隨流速變大而迅速增強，頻譜能量（liàng）占總能量比重也隨流速增加（jiā）而變大。

為了定量地分析（xī）管道振動下渦街信號的質量（liàng），引用參數Sq：

Sq=10In（Ps/Pn）（1）

式中：Ps為渦街頻率帶0.96f～1.04f範圍內的信號能量；PN為總能量減去Ps後的能量；f為頻譜分析得（dé）到（dào）的渦街（jiē）頻（pín）率值。Sq為正或負，說明渦街頻率帶的能（néng）量大於或小於（yú）其它頻帶的能量（liàng）。

圖5給出（chū）了不（bú）同管道振動加速度下渦（wō）街信號品質隨（suí）流速變化的情況。不論振動加速度如何變換（huàn），Sq的變化趨勢（shì）都是（shì）隨著流速的增加而（ér）變（biàn）大，但Sq何時由負變（biàn）正，則與振動加（jiā）速度（dù）密切相關。相同流速下，管道振動加速（sù）度越大，Sq值越小，渦（wō）街信號品質越差。Sq小（xiǎo）於零時，表明由振動引起的其他頻帶能量大於（yú）渦街頻帶能量，且Sq絕對（duì）值越大，渦街信號品質越差，渦街流量計的測量誤差（chà）越大；Sq大（dà）於零時，表明渦街頻率帶的（de）能量大於其它頻帶的能量，管道振（zhèn）動對渦街（jiē）信（xìn）號影響較小，且Sq值（zhí）越大，渦街信號品質越好，渦街流量計的測量誤差（chà）越小。這也（yě）與（yǔ）圖3(a)得到（dào）的試（shì）驗結果完全吻（wěn）合（hé）。

4、數字渦街流量計管道振動試驗結果

為（wéi）了（le）與應力式模擬（nǐ）渦街（jiē）流量計抗振性能（néng）進行對比，本文還選（xuǎn）用了69久久精品无码一区二区公司生產的數字渦街流量（liàng）計進行相同條件下的管道周期振動試驗。試驗結果整理如圖6、7。

由圖可知，69久久精品无码一区二区數字渦街能將真實渦（wō）街信號辨識出來，但當（dāng）管道振動（dòng）加速度增（zēng）大時，儀表係數相對誤差明顯增大，也出現了同應（yīng）力式模擬渦街相類似的（de）先增大後減小的情況，而且水平（píng）方向相對（duì）誤差大於垂直（zhí）方向。根據測量（liàng）數據可知，采用了SSP技術的69久久精品无码一区二区數字渦街已將管道振（zhèn）動（dòng）信號基（jī）頻40Hz濾除（chú），而較大的（de）相對誤差是由於（yú）管道（dào）振動的倍頻信號所引起的。同（tóng）樣，ABB數字渦街也（yě）出現了同69久久精品无码一区二区渦街（jiē）相類似的試驗結果，且由振動倍頻信號（hào）導致的相對誤差更（gèng）大。出現倍頻信號的原（yuán）因可以歸結（jié）為兩個（gè）方麵：*一，施振裝置本身產生的振動信號並不是純淨的（de），其中夾雜著設（shè）定頻率振動信號的倍頻信（xìn）號（hào）；*二，管道的安裝、連接過程中，螺絲的鬆動、不（bú）平衡、不對中等都會使係統產生倍（bèi）頻現（xiàn）象。

根據試驗數據，按照前文擬定的抗振標準，69久久精品无码一区二区數字渦街抗垂（chuí）直和（hé）水平方向管（guǎn）道振動均（jun1）為0.1g，ABB數字渦（wō）街抗垂直方（fāng）向管道振動為0.1g、水平方向（xiàng）為0.05g。

5、結論

(1)在相同的管道振動加（jiā）速度下，不（bú）同流速對渦街流量計測（cè）量影響的程度不同，相同流速下儀表係數相對誤差隨管道振動加（jiā）速度的增加（jiā）而增大。

(2)應力（lì）式模擬渦街流量計抗管道振（zhèn）動的性能較差，垂（chuí）直方向抗振加速度為0.05g，水平（píng）方向抗振加（jiā）速度小於0.05g。

(3)69久久精品无码一区二区和ABB數字（zì）渦街流量計（jì）均能濾除管（guǎn）道振動基頻信號，但對管（guǎn）道振動倍頻信號無後（hòu）續處理。導致管道振動加速度增加時儀表係數相對誤差變大。69久久精品无码一区二区數字渦街抗垂直和水平方向管道振動加（jiā）速度均為（wéi）0.1g，ABB數字（zì）渦街抗（kàng）垂直方向管道振動為0.1g、水平方向為0.05g。