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涡街流量计的工作原理|涡街的产生与涡街现象


文章日期:2017-08-18|阅读数:


  本章首先从涡街流量计的工作原理入手,分析了涡街流量信号的组成;然后阐述了本脉冲输出型数字涡街流量计的总体设计方案,尤其是采用了双通道处理的方式,以及引入了频率不确定度的概念作为涡街有用信号处理方法的判断依据;***后简要介绍了功率谱估计的概念,FFT 的算法及在 DSP 中的实现,并针对 FFT 算法的不足,提出了一种新型的快速插值频率估计法。 

涡街流量计的工作原理:
涡街的产生与涡街现象:
  涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中的的“卡门涡街”原理。如图 2-1,在流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线型阻流体(如三角柱,圆柱等),称之为旋涡发生体,随着流体沿旋涡发生体流动的速度逐渐加快,雷诺数 逐渐增大,当 达到 40 左右eReR【53】时,由于旋涡发生体后半部分附面层中的流体团受到更大的阻滞,就会在旋涡发生体下游产生两列旋转方向相反、平行参差排列的涡列,这就是所谓的“卡门涡街”。
图 2-1  卡门涡街

图 2-1  卡门涡街 
其中雷诺数eR 的定义为: 
其中雷诺数eR 的定义
式中    γ ——工作状态下流体的运动粘度, m2 / s; v ——被测介质来流的平均流速, m/ s; d ——旋涡发生体的特征尺寸, m。 值得注意的是,由于旋涡之间的相互影响,其形成通常是不稳定的。卡门对涡列的稳定性条件进行了研究,于 1911 年得到结论:只有形成相互交替的内旋的两排旋涡,且当两旋涡列之间的距离 和同列的两旋涡之间距离l 之比满足时,所产生的涡街才是稳定的hh/ l ≈0.281【54】。 

涡街的测量:
  大量实验证明:在二维流动状态下(来流单相、定常;阻流体具有规则截面,且可视为无限长),当满足涡街稳定的条件时,涡街的单侧旋涡脱落频率(简称涡街频率) f与阻流体两侧的平均流速 之间具有以下关系:
测量公式
式中     d——阻流体迎流面的***大宽度,
m; tS ——斯特罗哈数。 根据流体流动的连续性理论易知:  
计算公式

 式中    v ——被测介质来流的平均流速,
m/ s; m ——旋涡发生体两侧流通面积与管道截面积之比。 被测介质的体积流量为:
计算公式


式中     D——管道直径,m;
  K ——涡街流量计的仪表系数,频率值 。 3/ m由式(2-5)可看出,对于给定的涡街流量传感器,其管道直径 、旋涡发生体特征尺寸 、 及斯特罗哈数 是可知的,因此此仪表系数 也是确定的,只要准确测得旋涡的分离频率 ,就可以得知被测流体的速度Dd mtS Kf v ,从而到达测量管道内流量的目的。 

  得注意的是,式(2-4)(2-5)成立的前提条件是要保证流体的雷诺数在使斯特罗哈数恒定的范围内。由粘性流体力学对涡街现象的研究可知,对于典型的圆柱型的发生体,雷诺数在 3×102~2×105的范围内斯特罗哈数恒定,其他类型发生体(如梯形柱)大约也在这个量级。显然,涡街流量计实际测量的量程下限远远高于理论值,因此,扩展涡街流量计量程的下限是一个重要的研究课题。 

涡街流量信号的组成:
  从涡街传感器引出的电荷信号经电荷放大器和滤波器的简单处理后,形成了幅值在几伏左右的电压信号,这个电压信号是杂乱的、不规则的,其中包括体现涡街频率的信号成分即有用信号,也包括各种噪声或者叫干扰信号。其中噪声可分为三部分:电磁干扰、流场干扰和管道振动干扰。那么涡街信号可以表示为: 
计算公式

式中     ts)(——体现涡街频率的信号,称为有用信号; )(1tn ——电磁干扰信号; )(2tn ——流场干扰信号; )(3tn ——管道振动干扰信号。
我们***终目的就是要的从这个复杂的涡街信号里提取出有用信号,那么,我们必须先了解噪声信号,才能有效的去除噪声。下面从三点来介绍【5】【55】: 

1.  电磁干扰信号:
  由于在工业现场电力线及电力设备密集,大量的电磁干扰就会影响到涡街流量计信号处理电路,这种干扰主要分为三类:高频电磁辐射干扰、交直流电源干扰和低频电磁干扰。其中高频电磁辐射干扰主要是通过空间电磁场作用到信号处理电路的;交直流电源干扰来自于电源间的相互影响;低频电磁干扰是对涡街流量计的***主要的电磁干扰,低频电磁干扰的来源非常复杂,它与涡街安装位置、安装方式、接地方式、接地位置、屏蔽情况及放大器的特性等有关,如:金属屏蔽罩屏蔽空间电磁辐射的能力是有限的,不能抵御频率 50Hz 以下的电磁场;压电敏感元件的接地点(表壳)与处理电路的接地点如果存在跨步电流,就会在地线两端产生 50Hz 的跨步电压干扰;当电源干扰存在,而处理电路的共模抑制比较低时,就会在电路中引入 50Hz 的电源共模干扰。这种低频干扰在涡街频带之内,所以消除低频电磁干扰是涡街现场应用的一个重要问题。 

2.  流场干扰信号:
  工业现场管道内的干扰对旋涡发生体附近的流场分部有很大的影响。由于管道上下游存在着各种阻力件如阀门、弯头、T 形管、扩张管和收缩管等,这些器件对管道的影响有两个方面:(1)影响管道内的压力分部,导致管道的压力分布不均匀,从而导致管道内流速分部不均匀;(2)会产生流体扰动和杂乱的旋涡流。这种干扰会使涡街信号的信噪比降低,并且破坏管道内流场的均匀性和对称性。 

3.  管道振动干扰信号:
  管道一般与风机、水泵或压缩机等装置相连接,风机、水泵和压缩机产生的振动、人为撞击管道以及局部阻力件产生的随机噪声有时十分强烈,会叠加到涡街信号中,对于有用信号的提取带来了很大的困难。 
  理想的涡街信号经电荷放大器和低通滤波器后应该是一个规则的正弦波信号,但是,在工况下低流速的涡街信号则基本被噪声淹没,下图 2-2 所示的即实际工况下采集的受扰的涡街信号波形图,可见,从含有复杂噪声的信号中提取有用信号还是具有相当难度的。 
图 2-2 受扰的涡街信号图

图 2-2 受扰的涡街信号图 


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