具有抗振动能力的涡街流量计的研究

针对目前涡街流量计存在的抗振动能力差的问题，提出了一种抗振动方法。 该方法是在传统的涡街流量计测量通道上增加了振动监测通道，通过振动监测通道获取当前工况下涡街流量计所安装的管道的振动情况。 监测通道将振动信息传送至 MCU，MCU 再对测量通道的自适应滤波器进行实时调整，从而实现正常的流量测量。 实验表明该方法具有较好的效果，在很大程度上提高了涡街流量计的抗振动能力。

近十几年来， 随着国内外大型仪表公司对涡街流量计信号处理技术的不断改进，在世界范围内，涡街流量计台数已占总流量仪表总量的 3％～5％。 当前限制涡街流量计发展的最大问题是工业现场管道振动对其性能的影响。 国内专家学者对涡街流量计抗干扰方法进行研究。 目前采用最多的是从传感器探头以及滤波算法两方面对涡街流量计的抗振动进行改进。 其中浙江大学的孔令稳通过改进探头的方法提升了涡街流量计的抗振动性能，通过抗振动算法对涡街流量计的抗振动特性进行研究。

本文主要从传感器及信号处理两方面对涡街流量计的抗干扰方法进行研究与设计。 通过增加振动传感器对管道振动信号进行提取，并通过算法实现信号的去噪。

1.涡街流量计

街流量计的基本原理是：在与被测介质流向垂直的方向放置一个非流线型的对称形状的物体， 当管道雷诺数 Re 达一定值以后，随着流体流过该旋涡发生体，出现附面层分离，旋涡发生体的左右两侧后方就会交替地分离释放出有规律的交错排列的旋涡，称为冯·卡尔曼涡街又称为“涡街”。 涡街流量计根据此旋涡的脱落频率与流体流速的线性关系从而实现流体流量测量。 图 1 为管道内的 Karman 涡街模型。

2.涡街流量计抗振动方法总体设计

涡街流量计是通过压电晶体检测流体与涡街阻挡体冲撞产生漩涡信号。 管道及工业现场的振动也会导致压电晶体的震荡，所以在振动较大的工业现场， 浮子流量计传感器输出的信号包含代表流体流速的有用信号以及现场的振动噪声信号。 本方法通过振动传感器获取管道振动的频率 f 及振动的强度 A， 将管道振动信息传送给MCU1，MCU1 根据获取的频率信号对测量通道中的滤波器进行自动调整， 调整到合适的通带后主控制器将对测量通道的信号进行采样处理。

3.涡街流量计抗振动方法软件实现

对于涡街流量计抗振动的实现需要软件对测量通道和振动监测通道的信号进行处理，其中包括滤波和采样。 同时还需要通过软件实时调整自适应滤波器，其中自适应滤波器幅频特性曲线如图 3 所示， 自适应滤波器包括对正常流量信号进行滤波的带通滤波器以及对振动干扰进行陷波的带阻滤波器。 通过软件控制 fH、fL、fC，软件控制过程如图 4 所示，当振动监测通道监测到信号则现场存在振动， 需要进行抗振动处理， 设置相应的滤波器，从而实现滤波效果。

4.实验验证

本文采用可调振动频率和振动加速度的振动试验台对实际现场的管道振动进行模拟并通过测振动仪器对实际振动频率进行测量，其中振动实验台和测振仪图 5、图 6 所示。

下涡街流量计信号添加抗振动前后的信号对比， 其中对比如图7～图 9 所示。 在 1g、2g 振动条件下经抗振动处理后信号有明显改善，提高了测量精度，当振动加速度大于 3g 则抗振动方法的改善程度开始降低。

5.结束语

通过实验验证了该方法的可行性， 在很大程度上提高了涡街流量计的抗振动能力。