涡街流量计在管道振动下的试验研究

郝 松 王 振 贾小冬 魏伟力

(辽宁省计量科学研究院，沈阳 110004)



涡街流量计在管道振动下的试验研究

郝 松 王 振 贾小冬 魏伟力

(辽宁省计量科学研究院，沈阳 110004)

选择传统应力式涡街流量计，通过管道振动条件下的测量试验结合频谱分析方法，研究其抗振性能。试验结果表明，不考虑其下限流速，振动频率为40Hz时，只有在0.05g管道振动加速度的情况下，才能正常工作。

涡街流量计；管道振动；频谱分析

0 引言

涡街流量计利用流体经过旋涡发生体后产生的振动进行流量测量[1-2]，因其介质适应性强、无可动部件、结构简单、可靠性高等特点而被广泛使用[3]。正是因为其以流体振动为测量原理，在管道振动的情况下，涡街流量计的使用受到了限制。

国内外诸多学者及研究机构对涡街流量计抗振性和振动环境下涡街流量计的使用进行了大量研究[4-7]。本文以国内外应用最为广泛的应力式涡街流量计作为研究对象，在气体流量管道振动试验装置上，在相同流速范围内进行了相同振动频率不同振动加速度的管道振动试验，研究了应力式涡街流量计在管道振动条件下的抗振性能。

1 试验装置

图1为气体流量管道振动试验装置结构图。为避免气体压力波动，空气压缩机先将大气中的空气压缩打入稳压储气罐中，高温压缩空气经过冷干机冷却除湿后，得到的纯净气体先后流经气路总阀、气动调节阀、涡轮流量计(标准表)、涡街流量计(被校表)后，最终通向大气。本文选用的振动台，具有频率调节(1～400Hz)、简易调整加速度(<20g)/振幅、输出正弦类波形等功能，从而使设定频率下不同振动加速度的管道振动试验得以实现[3]。

图1 气体流量管道振动试验装置结构图

试验中对涡街流量计的流量校准采用标准表法，即由涡轮流量计测得的流量值和涡轮流量计表前压力变送器测得的压力值便可换算得到流经被测涡街流量计的体积流量(管路中气体温度变化很小，忽略不计)。标准表涡轮流量计的最大允许误差为±1%，内径为50mm，流量范围为5～100m3/h；两个压力变送器的最大允许误差均为±2%。

2 试验条件

为了分析管道振动对涡街流量计测量的影响，分别在5，7.5，11，15.5，20.5m/s五个流速，施加竖直方向振动，振动频率40Hz，振动的加速度分别为0.05g，0.1g，0.2g，0.5g。

3 试验数据结果分析

选用国内生产的普通应力式模拟涡街流量计，在图1所示的气体管道振动试验装置上进行测量试验。试验数据如表1所示。将测量数据整理分析，绘制其不同加速度振动条件下仪表系数相对于无管道振动时仪表系数的相对误差曲线如图2所示。

在相同的振动加速度下不同流速对涡街流量计测量影响的程度是不同的。低流速时涡街流量计受管道振动影响更加严重，输出脉冲的频率即为管道振动的频率。在振动加速度较大时， 低流速点5m/s处的仪表系数的相对误差集中在一点。随着流速的升高，涡街流量计受管道振动影响根据振动加速度的不同可分为以下几种情况：1)管道振动加速度为0.05g、0.1g时，涡街流量计仪表系数相对误差随流速的升高而减小，最终减小至零；2)管道振动加速度为0.2g时，涡街流量计仪表系数相对误差随流速升高先增大后减小，最终减小至零；3)管道振动加速度为0.5g时，涡街流量计仪表系数相对误差随流速升高先增大后减小，但最终未减小至零。出现上述现象的原因在于，应力式涡街流量计是利用压电探头对交替作用在旋涡发生体上的升力的检测进而获得涡街频率的，而作用在旋涡发生体上的升力与被测流体的密度和流速平方成正比。小流量时升力幅值小，易受到管道振动的干扰，当振动加速度较大时，振动信号的幅值超过了涡街升力的幅值，有用信号几乎完全被淹没，只能检测到管道振动信号，故涡街流量计仪表系数相对误差集中在一点。随着流速升高，作用在旋涡发生体上的升力幅值成平方倍的增长，而管道振动加速度不变即振动幅值不变，故压电探头检测到的混合信号中涡街有用信号逐渐显露出来。当管道振动加速度为第1)种情况时，涡街信号幅值随流速升高而迅速增强，最终能够抑制管道的振动信号使仪表系数相对误差减小至零；当管道振动加速度为后两种情况时，在低流速下，检测到的信号完全是振动信号，以此固定的管道振动频率作为涡街的频率信号，得出的仪表系数当然随着流速的升高而减小，仪表系数继续降低，相对误差增大，随着流速的升高，涡街信号幅度增大，信噪比相对提高时，相对误差随之减小。而振动加速度为0.5g的振动信号相对较强，涡街信号的幅值随着流速的升高虽然有大幅提升，但仍无法完全有效地抑制管道振动信号，仪表系数相对误差有所减小，但不能减至零[3]。

表1 涡街流量计抗管道振动试验结果

图2 40Hz不同加速度竖直方向振动下模拟涡街流量计相对误差曲线

图3 0.05g振动加速度下的信号频谱图

图4 0.5g振动加速度下的信号频谱图

此外，除最低流速点外，相同流速下涡街流量计的仪表系数相对误差随振动加速度的增加而增大，这是由于振动加速度的增加导致管道振动干扰的幅度变大，对涡街流量计信号输出造成更加恶劣的影响。由以上试验以及分析可以看出，普通模拟涡街流量计抗管道振动的性能很差，不考虑其下限流速，振动频率为40Hz时，只有在0.05g管道振动加速度的情况下，才能正常工作。

4 试验信号频谱分析

为了观测管道振动情况下涡街流量信号的特征，在上述试验中还启用了基于计算机的信号采集系统，分别在上述五个流速下，对经过电荷放大和低通滤波后的涡街正弦信号进行数据采集，利用频谱分析软件绘制出其对应的频谱图。由前面对测量数据分析可知，0.05g和0.5g两个振动加速度情况下的涡街特性具备一定的代表性。故此处仅以0.05g和0.5g两个振动加速度情况下的涡街信号为例，说明其振动条件下的涡街信号的情况。其他振动加速度的信号情况均介于这两种情况之间。

由图3可知，在5m/s和7.5m/s两个低流速点时，振动信号比较强，涡街信号受到严重影响，流量计输出的脉冲频率不是涡街频率，而是振动信号与涡街信号合成的频率，造成了流量计的测量误差。随着流速的增大，涡街的真实信号逐渐显露出来，振动信号相对比较微弱，被涡街真实的信号淹没，此时流量计输出的脉冲频率即为涡街信号的真实频率。

从图3和图4可以看出，0.5g振动加速度情况下，涡街信号受管道振动的影响程度与0.05g振动加速度相比要严重得多。虽然仍存在随着流速的增大，涡街信号逐渐增强的趋势，但是在整个试验测量范围内，涡街信号都没有完全显露出来，而都是振动信号占据了主导地位。只有当流速比较高时，振动信号中才叠加了涡街信号，而当流速相对比较低时，涡街信号完全被振动信号淹没。仪表输出的脉冲频率为振动信号的频率。因此可以解释图2相对误差曲线中0.5g振动加速度情况下，误差比较大，而且最终仍然没有归零的原因。

5 小结

本文以应用最为广泛的应力式涡街流量计作为研究对象，对其进行管道振动条件下的测量试验，分析其信号频谱的特点。试验结果表明，不考虑其下限流速，振动频率为40Hz时，只有在0.05g管道振动加速度的情况下，才能正常工作。

[1] Grzegorz L Pankanin.The vortex flowmeter：various methods of investigating phenomena．Measurement Science and Technology，2005，16(3)：R1-R16

[2] 黄咏梅，张宏建，孙志强.涡街流量计的研究．传感技术学报，2006，19(3)：776-782

[3] 郝松，王振，刘方.数字涡街流量计抗管道振动性能比较．计量技术，2011(9)：40-42

[4] E van Bokhorst，M C A M Peters，C H L Limpens.Impact of pipe vibrations on vortex flowmeters under operating conditions[C]．Proceedings of the Int.Symp.On Fluid Flow Measurement，USA，1999：185-190

[5] 薛润林，刘玉霞.涡街流量计防振措施的探讨.化工自动化及仪表，2001，28(3)：69-72

[6] 刘晖.涡街流量计抗振性能的研究.矿业研究与开发，1997，17(1)：49-51

[7] 潘岚，宋开臣，徐国梁.高抗干扰性能涡街流量计传感器的研究.中国计量学院学报，2005，16(4)：268-270，278

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.07