涡街流量测量中一种振动信号识别方法的研究

孙宏军 李 霄

(天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

涡街流量计基于卡门涡街原理。当流体通过漩涡发生体后，在发生体两侧产生交替脱落的漩涡列并向下游移动。通过测量与流速成正比的频率信号即可得到当前流速。在涡街流量计的设计过程中，振动、电磁干扰及低流速测量等问题一直阻碍着其发展和应用[1]。

目前，主要的涡街信号检测方式有热丝式、电容式、应力式、差压式和超声式，其中效果最好、应用最广泛的为应力式和差压式。由于动态响应频率限制，差压式检测方式在流量超过一定值后会出现信号强度失真现象[2]，限制了其在工业生产中的应用。应力式检测方式在信号稳定性、频率测量、信号幅值上较其他检测方式有很大的优势[3]。但是其对外界振动和流体的流动状态特别敏感，如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流量的变化产生的随机脉动压力等干扰，都会对流量的测量产生很大的影响。因此抗振问题成为提高涡街流量计性能的关键，也成为涡街流量计在实际应用中的突出问题。

当前，国内外学者为解决涡街流量计抗振问题做出了广泛而深入的研究，就探头抗振结构方面有如下研究：选择在梁结构的振动弯矩零点处粘贴压电陶瓷来检测涡街信号；使用悬臂梁结构，在探头内和管道外贴装两对压电元件，用管道外压电元件检测到的振动信号去补偿探头内压电元件检测到的涡街振动混合信号[4]；双探头内置于管道中，两个探头之间距离为同列涡街距离的一半，使两个探头信号相位差180°，同时感受相同的振动干扰信号，两信号相减，使涡街信号增强一倍而使混叠的振动信号相互抵消[5]；双压电元件放置在悬臂梁式探头的圆柱体腔内，并关于法兰上下对称制成三线共地涡街探头[6]；菱形探头设计，检测探头扭矩，探头管道内部分设计成菱形，管道两侧的漩涡分别作用在菱形探头的前后锲面，使其产生扭矩。压电晶体按照检测扭矩的方式安装，振动信号不产生扭矩，从而实现纯涡街信号检测[7]。

1 识别涡街测量中振动信号的方法①

从文献可以看出，当前涡街探头的抗振设计主要还是以信号补偿和进行数字处理为主，这些方法理论上效果很好，但在实际应用中，由于探头制作工艺水品不高，无法达到设计原理中的对称结构或压电元件的对称安装要求，致使补偿效果不佳；或者由于振动问题本身较为复杂，某种方法只能从某个方面降低振动干扰影响。这一系列问题使得上述方法实际运用效果与理论差距甚远。

事实上，振动载荷在频率、作用位置和方向上都与涡街信号有着显著的差别。因此，从振动载荷作用在传感器的机理上进行区分有着重要意义。笔者从振动载荷与涡街载荷作用方向的差异出发，提出区分振动干扰和涡街信号的新思路，即通过测量加速度来获取涡街频率信号和振动干扰，并通过实验验证此方法的可行性，揭示其解决抗振问题的潜力。

1.1 实验装置

为模拟管道振动，建立如图1所示的基于电磁振动台的负压法气体管道振动装置。管道末端连接离心风机从管道中抽气，保证实验管段微负压。PC机通过RS485总线连接，控制变频器来调节风机转速从而改变管道内的气体流速。实验暂不要求精确的流量控制，所以整个系统流量控制为开环。气体流量通过气体涡轮流量计读取(精度1%，口径50mm，流量测量范围5～100m3/h)。实验管段口径D=50mm，仪表上游直管段长20D，下游长10D，实验管段和仪表通过夹具固定在振动台上。为了防止实验管段的振动影响标准表，实验管段和下游管段采用软管连接。整个振动台系统以闭环控制方式运行，可输出正弦、随机及脉冲等不同形式、不同强度的激振力。

图1 基于电磁振动台的负压法气体管道振动装置

1.2 管道振动的基本现象

在提出新的检测方式之前，先讨论一个关于管道振动的基本现象。工业现场的振动情况十分复杂，振动形式、幅度、频率还有方向都不唯一，尤其是振动方向。工业现场的振源多为风机及空压机等机械设备，这些设备的振动方向至少是在某个二维平面内变化的；同时，工业管道的质量分布不均匀也会导致振动在其上传递过程中会发生方向扩散。换句话说，由于管道振动导致的仪表振动方向并不单一，而是在以管道为法相的平面内做不确定方向运动。笔者通过实验验证该现象。

实验管段在振动台上的安装方式如图2所示。实验管段通过夹具固定在振动台上，表体伸出实验台面且与实验台面中心距离为L；以此模拟振源使管道振动，激振力通过管道传递到表体。控制振动台使其保持z方向正弦振动，频率分别为30、50、100Hz，强度为0.1g(g为重力加速度)，改变距离L使其分为450、650、900mm。通过测量3个方向的加速度值(图3)来分析振动状态。

图2 实验管段在振动台上安装方式

图3 3个方向上加速度计的输出电压与频率关系

首先，从图3中任意一幅图均可以发现：虽然激振力方向为z轴方向，但振动经过管道传递后，在表体可以检测到3个轴向分量的加速度，其大小不同，z轴与激振力方向相同，所以振动分量最大，x、y轴也有振动分量且x轴振动大于y轴振动。其次，从3幅图的曲线可以发现，随着激振频率的提高，各个轴向的振动幅度逐渐减小，最终振动都趋近于零。这是因为在保持加速度不变的条件下，随着激振频率的增大，振动台振动幅度减小，较小幅值的振动更容易在管道传递过程中衰减甚至消失，最终到达仪表时各个方向上已无法产生有效的分量。最后，对比3幅图的曲线可以发现，随着表体不断远离振源(即L逐渐增大)，3个轴向的振动分量逐渐变大，z轴分量增大趋势尤为明显，这跟实验管段的固定有关。由于实验管段的一端处于悬空状态，近似于悬臂梁振动，越远离固定端，振动幅值越大。因此在L=900mm实验条件下，各个方向振动分量也就增大。

1.3 区分振动信号的思路

从上述实验可以看出即使是单一方向的激振力，经过管道传递后作用在仪表上时，在3个轴向都会产生振动分量。因此振动信号具有方向上多样、不唯一的特点，然而涡列对涡街探头的冲击方向是唯一的，即图4中y轴方向。涡街载荷方向唯一，而振动载荷方向不唯一，那么对探头末端进行分析，其在y方向受到涡街载荷叠加振动载荷y向分量；z方向载荷主要为振动载荷z向分量；x方向载荷将包含振动载荷x向分量以及其他沿流场方向的冲击载荷。如果能够采集到不同方向载荷信号，通过z轴信号即可辨识出振动信号频率，在此基础上对y方向信号进行处理即可区分出振动干扰和涡街信号，以此提出以方向区分二者的新思路。加速度作为既有方向又有大小的矢量信号，在方向的区分上有着自身的优势。基于MEMS工艺的三轴加速度计采用IC封装，较小的尺寸使其可以安装在探头的末端，从而直接检测3个轴向的加速度信号。漩涡冲击探头末端使其产生y轴向的形变，形变通过加速度信号反映，分析加速度计y轴输出的电压信号即可得到涡街频

图4 加速度传感器安装位置

率。另外，振动载荷在3个方向的分量亦可通过加速度信号检测出来。这一思路通过识别z轴的振动信号即可对y轴的混叠信号进行区分。传统检测方式只能得到一维信号，而通过三轴加速度计检测到的信号上升为三维信号，可以为后续抗振处理提供更多信息。

2 验证实验

2.1 无振动条件下涡街测量实验

将加装加速度计的涡街探头安装在表体上进行实流实验，首先进行无振动情况下流量实验。关闭振动实验台，开启风机并将流量调节至66.1m3/h，采集探头输出的三轴向加速度信号并对信号进行功率谱分析。

从图5可以看出，在无振动情况下，x、y轴的 功率谱分析结果没有发现有明显的尖峰频率，只有涡街敏感轴z轴在功率谱分析中出现了164Hz的尖峰，这个尖峰频率在10s的信号采集时间内稳定存在，并且这一尖峰频率具有一定带宽，这些特性都符合涡街信号特征，可以判定探头的z轴方向能成功检测到涡街信号。

图5 3个轴向采集到的加速度信号

2.2 振动条件下涡街测量实验

接下来开启振动台，设定振动台保持100Hz频率、0.1g强度的正弦振动状态，同时开启风机并调节流量至66.1m3/h，再次采集3个轴向输出的加速度信号并做功率谱分析。

如图6所示，在3个轴向的信号中都出现了50Hz工频干扰，这是由于电动振动台所需励磁电流很大，电磁干扰、串扰较难去除，不过由于涡街频率和振动频率距离50Hz较远且工频干扰带宽极窄，可以不考虑工频干扰带来的影响。从图中可以看到z轴检测到164Hz的信号，结合图5c可以判定是涡街信号，同时也检测到频率为100Hz的振动信号，说明振动信号确实混叠到涡街信号中。在振动条件下测量涡街信号，随着流量的降低，涡街信号强度会不断地减小，最终小于振动信号强度，或者当振动频率和涡街信号频率接近时，就很难在z轴向信号中将两者区分出来。观察振动信号敏感轴x轴信号，发现没有检测到涡街信号或者检测到的涡街信号强度远远小于振动信 号，那么通过x轴信号可以方便地获得振动干扰频率。结合涡街敏感轴z轴和振动敏感轴x轴的信号进行分析和处理，即可有效地去除振动信号的干扰。

图6 3个轴向采集到的加速度信号

3 结束语

涡街流量计基于流体振动原理，其对振动干扰尤为敏感。解决振动干扰对于涡街流量计发展有着重要意义。笔者通过实验证明了由于振动产生及传导的复杂性，受干扰表体振动方向并不唯一，漩涡冲击探头的方向确是唯一的。由此提出了通过方向区分涡街信号和振动信号的方法。将加速度传感器与探头结合，得到3个方向的加速度信号，成功检测到了涡街信号，同时在振动干扰作用下，同时检测到了涡街信号和振动信号。实验证明了这种新方法的可行性，为涡街流量计抗振研究提供了新的思路。

[1] Huang Y，Zhang H，Sun Z Q.The Development of Vortex Flowmeter[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2006，19(3)：776～782.

[2] 孙志强，张宏建.压电式与差压式涡街流量计测量性能比较[J].化工自动化及仪表，2007，34(6)：75～78.

[3] 薛婧.应力式涡街流量计幅频特性测试方法的研究与实现[D].上海：上海大学，2009.

[4] 陈进鸿，石尔.影响涡街流量计测量准确度的几个因素[J].广东化工，2009，36(11)：132～133，154.

[5] Maiu J J，Hu C C，Chou J H.Response of a Vortex-meter to Impulsive Vibrations[J].Flow Measurement and Instrument，2000，11(1)：41～49.

[6] 张涛，孙宏军，张金晶.抗周期振动型涡街探测器[P].中国：CN 201540128 U，2010-08-04.

[7] Meng L J，Huang H.The Design of a Vortex Flow-meter with Anti-vibration Structure[C].2012 IEEE Symposium on Electrical and Electronics Engineering(EEESYM2012).Kuala Lumpur：IEEE，2012：648～650.