CN201463938U - 三线共地型涡街探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于仪器仪表技术领域，涉及一种“三线共地型”涡街探头，包括壳体、中性轴、四块材质、大小相同的长条形压电陶瓷片，中性轴固定在壳体内，四块压电陶瓷片的极化方向同相排列，平行插入中性轴两侧的上下端，采用厚度方向极化、长度方向变形的工作模式，壳体内的间隙被绝缘体填充，从上端两压电陶瓷片引出振动信号线、下端两压电陶瓷片引出涡街信号线，并从中性轴引出地线。本实用新型的涡街探头能够提高对管道及各种设备引起的周期振动干扰的抗扰性。

Description

三线共地型涡街探头

技术领域

本实用新型属于仪器仪表技术领域，涉及一种涡街流量计。

技术背景

涡街流量计较其他流量计有许多优点：输出为脉冲频率，不受流体组分、密度、压力、温度的影响，适用于流体总量测量，无零点漂移；压力损失较小，测量范围较大；测量的精度较高，仪表内无机械可动部件，可靠性高，构造简单牢固、维护方便、安装方式灵活、安装费用较低。其中以压电元件制成的应力式涡街流量计使用最为广泛，按压电元件的结构不同，分为简支梁结构、一体式悬臂梁结构、压力脉动检测型结构、检测元件移出型结构等等。压电元件灵敏性较高，流动方向上的振动或流体冲击产生的噪声，发生体的轴向振动所产生的噪声等对应力式涡街流量计的抗振性能有很大影响。不少学者对上述结构进行了优化，对涡街流量计的抗振性有一定的改善，例如，将四片压电元件组成的对称分布的检测元件封装在加长的悬臂梁发生体内，上下两组压电陶瓷片的极化方向反同相排列，两组压电元件的引线采用差动形式连接，可减少振噪声的影响，但是其内部封装技术并不公开，而且对于其抗振效果仍有待于实验验证。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种能够提高对管道及各种设备引起的周期振动干扰的抗扰性的涡街流量计探头。

为此，本实用新型采用如下的技术方案：

一种“三线共地型”涡街探头，包括壳体、中性轴、四块材质、大小相同的长条形压电陶瓷片，中性轴固定在壳体内，四块压电陶瓷片的极化方向同相排列，平行插入中性轴两侧的上下端，采用厚度方向极化、长度方向变形的工作模式，壳体内的间隙被绝缘体填充，从上端两压电陶瓷片引出振动信号线、下端两压电陶瓷片引出涡街信号线，并从中性轴引出地线。

作为优选实施方式，在壳体的中部两侧设置有用于固定所述涡街探头的支撑架，上端两压电陶瓷片位于支撑架的上方，下端两压电陶瓷片位于支撑架的下方；中性轴为不锈钢片。

本实用新型的“三线共地型”压电探头可将管道振动信号、涡街信号与管道振动信号的复合信号分别输出，可实时分析管道振动状态、成分，并在频域内借助数字信号处理方法将其滤除，实现一种利用噪声成分来消除噪声干扰的频域内自适应方法，弥补了一般的涡街探头和FFT算法只能削弱脉动型噪声的缺陷，同时解决了普通差动型探头由于管道振动强度较大、四片压电元件产生电荷无法完全抵消，很难借助数字信号处理方法从强噪声干扰中提取微弱涡街信号的问题.在陷波器中采用的EMD方法，可以将信号的特征信息在不同的分辨率下表现出来，而且分辨率的大小是随不同的信号而改变的，是一种自适应的多分辨率分析的信号处理方法.实验数据表明，本实用新型提出的“三线共地型”压电探头在不同管道振动方向、加速度条件下，EMD陷波原理信号处理方法可有效地提取涡街频率，对50mm口径的气体涡街流量计，在垂直和水平振动方向、振动频率为40Hz、流量范围为35～145m³/h内时，最大抗振加速度达到0.7g。与一般的涡街流量计的最大抗振加速度只能达到0.1g相比，在抗振性方面，有很大提高。

附图说明

图1本实用新型的“三线共地型”涡街探头的结构示意图。

图2本实用新型的涡街探头安装位置结构简图，(a)正视图，(b)侧视图。

图3本实用新型的涡街探头受力及弯矩分布示意图。

图4本实用新型的“三线共地型”涡街探头内部封装结构。

图5本实用新型的“三线共地型”涡街探头引线方式。

具体实施方式

本实用新型提出一种可将管道振动信号和含有管道振动信号及真实涡街信号的复合信号同时输出的“三线共地型”涡街探头，并利用经验模态分解(简称EMD)方法对管道周期振动信号进行识别、自适应陷波滤波，获得真实涡街频率。

本实用新型中的压电检测元件--“三线共地型”涡街探头的结构如图1所示，包括四块压电陶瓷片，即压电元件1、压电元件2、压电元件3、压电元件4，其平行插入不锈钢片材质的中性轴5两侧的上下端，并从上端两压电陶瓷片3、4引出振动信号线9、下端两压电陶瓷片1、2引出涡街信号线10和中性轴5引出地线11，其间用绝缘胶5密封，引线从接头上孔处引出。涡街探头被密封在十字形壳体6内，壳体6的中部两侧凸出的部位作为支撑架7。

本实用新型采用从旋涡发生体中分离出来的独立检测元件即分离型压电探头7，如图2的(a)和(b)所示。旋涡发生体采用工业常用的梯形柱旋涡发生体12，它只起产生和分离旋涡的作用，而涡街信号的检测由压电探头14来完成，压电探头14安装在旋涡发生体12后方一定距离内即旋涡成熟区内。压电探头14的安装采用中间固定两端自由的悬臂梁结构，通过支撑架7固定在管道13上。根据工程力学分析，可得出压电探头14受到的旋涡升力和管道振动力的受力及弯矩分布示意图，如图3所示。以探头固定处为中心，管道内外两端受到相同的管道振动力作用，其弯矩分布也相同，但是只有伸入管道内部的压电探头舌状扁平体部分才能感受到旋涡升力的作用。

“三线共地型”压电探头的内部结构如图4所示，探头内部采用了长条形压电陶瓷片(称为压电元件)，把四片条形压电元件以探头固定点为界分为涡街检测和振动检测两组，涡街检测由压电元件1、2组成，振动检测由压电元件3、4组成，每组两压电片对称放置在中性轴的两侧，其整体垂直地放入检测元件的圆柱形腔体内。中性轴由不锈钢材料导体制成，引出端线设为o，涡街检测和振动检测两组压电元件分别将其外侧相连并各自引出端线a、b，如图5所示。然后用封装材料将所有压电元件固定，就构成了涡街与振动信号同时检测的“三线共地型”(a、o、b三线，共用o线)压电探头结构。

长条形压电元件采用厚度方向极化、长度方向变形的工作模式，在交变升力F的作用下，产生交变电荷Q.当管道振动力作用在测量管时，振动通过管道传递给检测元件.假设管道受到水平向右振动力作用时，振动和涡街两组检测元件均会受到向左的应力，四片压电元件的极化方向采用同相排列，管道振动时振动与涡街两组检测元件感受到的电荷量相同(Q_a＝Q_b＝2q)。当无管道振动时，假设旋涡升力作用到探头下部扁平部分的方向向左，只有涡街检测元件受到向左应力并产生电荷(Q_a＝2q)。综上所述，“三线共地型”压电探头内部涡街和外部振动两组压电元件均可检测到管道振动信号，但只有涡街组压电元件能检测到涡街流量信号。

针对“三线共地型”压电探头，本实用新型提出了一种新的数字信号处理方法--基于EMD频率抽取的数字陷波频域算法。EMD方法是将复杂信号分解为有限多个IMF分量，每一IMF都具有相同数量的极值点和过零点，在相邻的两个过零点之间只有一个极值点，而且上、下包络线关于时间轴局部对称，任何两个模态之间是相互独立的。

EMD方法对任何信号x(t)分解步骤如下，确定信号所有的局部极值点，用三次样条线将所有的局部极大值点和极小值点连接起来形成上、下包络线，上、下包络线应该包络所有的数据点；上、下包络线的平均值记为m₁，求出x(t)-m₁＝h₁，理想地，如果h₁是一个IMF，那么h₁就是x(t)的第1个IMF分量；如果不满足IMF的条件，把h₁作为原始数据，重复以上步骤，直到使得h_1k满足IMF条件，记c₁＝h_1k，则c₁为信号x(t)的第1个满足IMF条件的分量。将c₁从x(t)中分离出来，得到r₁＝x(t)-c₁。将r₁作为原始数据重复以上步骤，得到x(t)的第2个满足IMF条件的分量c₂，重复循环n次，得到x(t)的n个满足IMF条件的分量。

其次，选择了停止准则更优的Rilling滤波准则作为EMD算法分解过程中确定IMF的判据。Rilling的算法中，定义了一个新的物理量σ(t)，公式如下：

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=\frac{|u\left(t\right)+v\left(t\right)|}{|u\left(t\right)-v\left(t\right)|}$

式中，u(t)和v(t)分别为信号的上包络和下包络。相应的判断是否中止筛选过程的停止条件有二个：一是满足σ(t)＜θ₁的时刻个数与全部持续时间之比至少1-α成立，即#{t∈T，σ(t)＜θ₁}/#{t∈T}≥1-α，其中T是信号的持续范围，#A表示集合A中元素的个数，θ₁＝0.05，α＝0.05；二是对每个时刻t，有σ(t)＜θ₂，其中θ₂＝10θ₁。

在EMD分解之后，采用了基于IMF的能量法从有限个IMF分量之中将管道振动频率成分有效地提取出来。对原始信号x_p(t)进行EMD分解，得到有限个IMF分量c_i(t)(i＝1，…，n)，并忽略残余函数r_n；求各IMF分量的能量E_i及整个信号的总能量E。

$E_i={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|c_i\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt},i=\mathrm{1,2},...,n$

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i$

求各IMF分量的能量E_i占整个信号总能量E的百分比p_i

p_i＝E_i/E  i＝1，2，…，n

取p_i值较大的IMF分量即为原始信号x_p(t)的主要频率成分。

涡街探头测得的原始信号是涡街真实信号与含有多种成分管道振动信号的复合信号。根据上述的分析结果，此时管道振动的主要频率成分可以在EMD方法下提取出来，通过加渐变过渡频带后再设置成零的陷波方法，即可得到经陷波后的原始信号的傅立叶幅值谱PSD。此时，再搜索PSD中幅值最大的频率，最终获得原始信号中的涡街真实信号频率。

在某气体流量管道周期振动实验装置上，对一台50mm口径、安装有“三线共地型”压电探头的涡街流量计，实施无管道振动和不同管道振动加速度、不同方向下流速点的管道周期振动。利用信号采集系统，对实验条件下“三线共地型”压电探头输出的复杂涡街信号和管道振动信号两组信号同时采集，采样频率为2000Hz，每次采集16s，每个流速点检定3次，重复性、平均仪表系数和线性度均按照速度式流量计检定规程中的公式计算，共32000个点。首先，在流速5～20.5m/s范围内，分别在垂直、水平安装方向下，对安装有“三线共地型”压电探头的涡街流量计进行了无附加管道振动气体流量实验，对探头内涡街检测元件组输出的信号进行采集，通过频谱分析求得各流速下的涡街频率，其精度为1级，不同安装方向下，仪表系数偏差为0.219％。；其次，利用气体流量管道周期振动实验装置，分别在垂直、水平振动方向、振动频率40Hz、振动加速度0.1g～0.7g范围内的附加管道周期振动情况下，对“三线共地型”压电探头输出的复杂涡街信号和管道振动信号两组信号同时进行采集，然后，将采集得到的实验数据，运用基于EMD频率抽取的数字陷波频域算法进行处理，垂直方向管道周期振动时，仪表系数最大偏移-0.55％，水平方向管道周期振动引起的仪表系数相对误差略大于垂直方向，最大值为0.76％。实验表明，根据“三线共地型”压电探头结合基于EMD频率抽取的数字陷波频域算法所设计的抗周期性振动涡街流量计，具有较好的抗管道周期振动性能。

本实用新型的特点在于“三线共地型”压电探头可将管道振动信号、涡街信号与管道振动信号的复合信号分别输出，可实时分析管道振动状态、成分，并在频域内借助数字信号处理方法将其滤除，实现一种利用噪声成分来消除噪声干扰的频域内自适应方法，弥补了一般的涡街探头和FFT算法只能削弱脉动型噪声的缺陷，同时解决了普通差动型探头由于管道振动强度较大、四片压电元件产生电荷无法完全抵消，很难借助数字信号处理方法从强噪声干扰中提取微弱涡街信号的问题。在陷波器中采用的EMD方法，可以将信号的特征信息在不同的分辨率下表现出来，而且分辨率的大小是随不同的信号而改变的，是一种自适应的多分辨率分析的信号处理方法。实验数据表明，本实用新型提出的“三线共地型”压电探头在不同管道振动方向、加速度条件下，EMD陷波原理信号处理方法可有效地提取涡街频率，对50mm口径的气体涡街流量计，在垂直和水平振动方向、振动频率为40Hz、流量范围为35～145m³/h内时，最大抗振加速度达到0.7g。与一般的涡街流量计的最大抗振加速度只能达到0.1g相比，在抗振性方面，有很大提高。

Claims (3)

1.一种三线共地型涡街探头，包括壳体、中性轴、四块材质、大小相同的长条形压电陶瓷片，中性轴固定在壳体内，其特征是，四块压电陶瓷片的极化方向同相排列，平行插入中性轴两侧的上下端，采用厚度方向极化、长度方向变形的工作模式，壳体内的间隙被绝缘体填充，从上端两压电陶瓷片引出振动信号线、下端两压电陶瓷片引出涡街信号线，并从中性轴引出地线。

2.根据权利要求1所述的涡街探头，其特征在于，在壳体的中部两侧设置有用于固定所述涡街探头的支撑架，上端两压电陶瓷片位于支撑架的上方，下端两压电陶瓷片位于支撑架的下方。

3.根据权利要求1所述的涡街探头，其特征在于，所述的中性轴为不锈钢片。

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