CN111412957A - 一种基于加速度测量的涡街信号检测方法 - Google Patents

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孙宏军
杨天宇
王伟
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    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
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Abstract

本发明涉及一种基于加速度测量的涡街信号检测方法，所采用的探头由三部分结构组成，分别为顶部圆盘、中间柱体以及底部长方体，中间柱体以及底部长方体内部形成探头腔体，顶部圆盘方便管道固定并设有一定位槽用以标定正方向，作为敏感元件的三轴加速度传感器内嵌入底部长方体，涡街流量计探头腔体和管路之间的连接方式为直接接触的硬连接，且与发生体不接触，三轴加速度传感器能够感受到涡街管路的振动变化，用以测量管道内部的涡街流场信息，检测方法为：依据涡街信号的唯一性及振动信号的多向性，涡街信号只对x轴敏感，而振动在多个轴向均有体现，通过对所获取的时域加速度信号进行频域分析即获得准确涡街信息。

Description

一种基于加速度测量的涡街信号检测方法
技术领域
本发明涉及流量测量领域，特别地，涉及一种基于加速度测量的涡街信号检测方法。
技术背景
工业领域中常用到涡街流量计测量流体的体积流量，涡街流量计是一种基于卡门涡街原理的速度式流量仪表，因其测量范围宽、可靠性高、压力损失小、对流体物性变化不敏感等特点而得到了广泛的应用。一方面，卡门涡街源于流体振动，极易受振动噪声的干扰而不稳定，而涡街流量计的安装环境中不可避免地存在振动干扰，如涡街管路的固有频率干扰或与管路相连的离心泵、压缩机的周期性振动及阀门动作造成的压力脉动干扰等。
另一方面，从空间分布角度来看，传统测量方式仅能获取“一维”信号，该信号掺杂着不同的流场信息，如涡街信号、振动信号等，且该信号多为频率，得到的信息有限，不利于后续的信号分析。
目前，基于MEMS技术的加速度传感器趋于小型化，给实现多学科交叉测量带来了可能。由牛顿第二定律，加速度与物体所受合外力成正比。对加速度进行积分可得到速度信息，再积分可得到位移信息。另外，对加速度时域信号进行频域分析即可得到频率信号。
发明内容
本发明提供一种涡街流场信号测量方法，基于MEMS三轴加速度计，设计合理的采集电路及涡街探头结构，以使其实现涡街频率准确测量及空间三维涡街流场信号测量的功能。技术方案如下：
一种基于加速度测量的涡街信号检测方法，所采用的探头由三部分结构组成，分别为顶部圆盘、中间柱体以及底部长方体，中间柱体以及底部长方体内部形成探头腔体，顶部圆盘方便管道固定并设有一定位槽用以标定正方向，作为敏感元件的三轴加速度传感器内嵌入底部长方体，涡街流量计探头腔体和管路之间的连接方式为直接接触的硬连接，且与发生体不接触，三轴加速度传感器能够感受到涡街管路的振动变化，用以测量管道内部的涡街流场信息，检测方法为：依据涡街信号的唯一性及振动信号的多向性，涡街信号只对x轴敏感，而振动在多个轴向均有体现，通过对所获取的时域加速度信号进行频域分析即获得准确涡街信息；通过多个轴向测得的时域加速度信号，构建涡街流场合力的空间分布。
附图说明
图1为本发明实施例提供的涡街探头结构图；
图2为本发明实施例提供的探头与管路连接示意图；
图3为本发明实施例提供的P＝400kPa、Qg＝19.27m3/h的气相流量(气相流速为28.56m/s)工况下，(a)为未在管路上施加瞬态激励的测量信号及频域分析图，(b)为橡胶锤锤击Y方向的时、频信号；
图4为本发明实施例提供的P＝300kPa,Ql＝25m3/h的工况下，两相流场下的力的空间分布图；
附图中：1-涡街流量计探头腔体，2-管路，3-发生体，4-三轴加速度传感器，5-稳压模块，6-中空结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图以及及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术的缺陷，本发明技术方案如下：
如图1所示，探头材质为镁铝合金，总的来说该探头由三部分结构组成，分别为顶部圆盘、中间柱体以及底部长方体。整体上为涡街流量计探头腔体1，主要包括中空结构6，顶部圆盘方便管道固定并设有一定位槽用以标定正方向，中间柱体结构可最大限度减小探头对流场的影响，敏感元件内嵌入底部长方体，为增大涡街信号与底部长方体接触的摩擦力，底部采用铣床加工。
如图2所示，涡街流量计探头腔体1和管路2之间的连接方式为直接接触的硬连接，且与发生体3不接触，因而管路发生振动时能够传递给整个涡街探头腔体，敏感元件能够感受到涡街管路的振动变化，因此能够实现管路共振干扰测量。因而管路发生振动时能够传递给整个的涡街探头，检测元件能够感受到涡街管路的振动变化。使其作为敏感的检测元件以测量管道内部的涡街流场信息。
检测方法为：依据涡街信号的唯一性及振动信号的多向性，涡街信号只对x轴敏感，而振动在多个轴向均有体现，通过对所获取的时域加速度信号进行频域分析即获得准确涡街信息；通过多个轴向测得的时域加速度信号，构建涡街流场合力的空间分布。
在相应工况下经过FFT处理后的频域信号，X轴(阻力方向)、Y轴(辅助测量方向)、Z轴(涡街升力方向)均能检测到频率特征信息，其中，Z轴能明显测得涡街升力频率，X轴能明显测得探头所受阻力信息，Y轴除了测得了其他两轴的信息还测得了其他干扰信号，且在较高流量下，X轴与Z轴频率之间存在明显的2倍关系，更好的分析和挖掘了每个轴的所代表的意义。
以下将利用上述探头对涡街信号的三个轴向进行分析。通过三个轴的配合可有效识别各个轴向的频率特征，其在一定程度上体现了加速度式涡街探头的抗振性能。接下来，将通过对涡街管路施加瞬态激励来进一步研究涡街探头的抗振特性，测试实验在P＝400kPa、Qg＝19.27m3/h的气相流量(气相流速为28.56m/s)下进行，如图3(a)所示，为未在管路上施加瞬态激励的测量信号及频域分析，从信号来看，Z轴有效测得了涡街升力频率，X轴有效测得了涡街阻力频率，Y轴则同时反映了Z、X轴频率信息及干扰频率，同样，受传感器自身结构的限制，出现了5kHz及8kHz左右的干扰频率。
图3(b)为利用橡胶锤在Y轴施加激励的采集信号，其时域信号完整的再现了瞬态激励信号的触发、衰减过程，由于激励方向为Y轴方向，因此其对振动也更加敏感，由于振动的传递性，另外两个轴也会受到不同程度的振动干扰。从Y轴频域来看，振动干扰多集中在1kHz低频频带范围内，且所激励振动小于传感器结构本身的干扰。
除此之外，涡街探头的幅值信息为具有物理意义的加速度，而加速度与力之间存在确定的线性关系，因此，此处以两相测量为例，如图4所示，为P＝300kPa,Ql＝25m3/h的工况下，两相流场中力的空间分布。利用所测得的加速度时序信号反映气液两相流动中力的变化规律，由于雾状流流动环境更加复杂，时序信号明显变得不规则，同时反映了力变化的复杂性。可以看出加速度式涡街探头在信号识别方面具有一定的优越性。
由上述分析可知，所设计的加速度式涡街探头的三个轴向均能测得频率特征，通过三个轴的配合可有效识别升力频率、阻力频率及振动干扰频率特性，达到了测得流场多维频率信息的目的，并且该探头具有稳定的抗振性能，这为提高涡街测量精度及稳定性奠定了坚实的基础，也为原始的涡街信号测量分析提供新的思路。而且通过多个轴向测得的时域加速度信号，可有效构建涡街流场合力的空间分布等。

Claims (1)

1.一种基于加速度测量的涡街信号检测方法，所采用的探头由三部分结构组成，分别为顶部圆盘、中间柱体以及底部长方体，中间柱体以及底部长方体内部形成探头腔体，顶部圆盘方便管道固定并设有一定位槽用以标定正方向，作为敏感元件的三轴加速度传感器内嵌入底部长方体，涡街流量计探头腔体和管路之间的连接方式为直接接触的硬连接，且与发生体不接触，敏感元件为三轴加速度传感器能够感受到涡街管路的振动变化，用以测量管道内部的涡街流场信息，检测方法为：依据涡街信号的唯一性及振动信号的多向性，涡街信号只对x轴敏感，而振动在多个轴向均有体现，通过对所获取的时域加速度信号进行频域分析即获得准确涡街信息；通过多个轴向测得的时域加速度信号，构建涡街流场合力的空间分布。
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