【分享】旋進旋渦流量計測量鎖頻現象的實驗研究

原稿：楊軍 傅新 彭杰鋼  供稿：金湖聯儀自控設備有限公司
(流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江大學，杭州310027)

【摘要】：本文主要講解了旋進旋渦流量計中流場于傳感器耦合所產生測量鎖頻現象。在自行設計的實驗臺上對DN50的旋進旋渦流量計進行了壓電傳感器懸臂安裝和簡支安裝的實驗。發現在懸臂安裝方式下出現了測量鎖頻現象，并分析了鎖頻產生的原因。提出通過加強傳感器剛度的方法來消除測量鎖頻現象的傳感器設計原則。
【關鍵詞】  旋進旋渦流量計  安裝方式  鎖頻現象

【前言】在流體測量儀表中，測量的方法是影響流星儀表測量準確度的重要因素。流體測量中傳感器與流體的流固耦合作用.使傳感器對流體的測量產生很大的誤差.作者用實驗的方法對壓電式傳感器各種不同的安裝方式下測量進行了研究。在研究過程
中，發現在懸臂安裝方式下流固耦合作用而導致的測量鎖頻現象.木文就這種鎖頻現象產生的原因作了定性的分析。并提出了通過提高傳感器的剛度來消除鎖頻現象的方法.

一、旋進漩渦流量計原理

旋進旋渦流量計組成如圖1所示。當沿著軸向流動的流體進入流量傳感器入口時，旋渦發生體葉片強迫流體進行旋轉運動，于是在旋渦發生體中心產生旋渦流。旋渦流在文丘里管中旋進，到達收縮段突然節流使旋渦流加速，當旋渦流進入擴散段后，因回流的作用強迫進行螺旋狀進動。此時旋渦流的旋轉頻率和流體的流速成正比。壓電式傳感器檢測到微弱電信號通過前置放大器等處理就可以得到我們需要的流量信號。
二、實驗裝置
    圖2所示為氣體流量計實驗裝置示意圖，實驗裝置為氣體流量實驗系統，它由5個部分組成。

  I一梳場波動模擬裝置，I用于在實驗室條件下模擬流場波動;II—夾表裝置，本實驗臺設計滿足不同表體的使用，為通用的表體夾具; III—標準流量校正裝置，木實驗臺采用音速噴嘴流量計作為校準其他儀表的基準;IV—壓差產生裝置，本實驗臺通過真空
泵產生負壓，使實驗臺的入口和出口之間產生一個壓差，形成相對穩定的空氣流來作為實驗流體;V-計算機測試系統，該系統用于測量傳感器的輸出，主要由電荷放大器和用于采樣計算的美國DACTRON公司PHOTO便攜式動態信號分析儀及計算機組成.      

     本實驗的流量可由5個規格的音速噴嘴而得到，通過不同的組合方式可得到范圍從5.5m3/h-224m3/ h之間的間斷分檔流量。實驗的管道內徑為50mm，流量計規格為DN50

旋進旋渦流量計的壓電式傳感器安裝方式如圖3、4.圖3為簡支安裝方式；圖4為懸臂安裝方式。壓電式傳感器深入到旋渦進動流量計內部的流場中，使傳感器的感應面正對著流體流動的方向，旋渦進動的頻率就是通過傳感器來測量的。圖5和圖6為實驗結果比較圖。

 五、試驗結果分析
    通過對壓電式傳感器懸臂和簡支安裝方式的時域、頻域在不同流量情況下的波形進行分析和處理，我們得到圖5流量幅值關系圖和圖6流量頻率關系圖。從圖5可知，兩種安裝方式中傳感器所檢測到的信號的幅值都隨流量的增加而增大，幅值與流量都是近似的成正比例關系，而且流量越大，這種正比例關系也越加明顯。壓電式傳感器懸臂安裝時所檢測到的信號的幅值比簡支安裝時所檢測到的信號的幅值要稍大一些，傳感器懸臂安裝時所檢測到的信號的幅值約是傳感器簡支安裝所檢測到的信號的幅值的1.4倍。從圖6可知，壓電式傳感器懸臂安裝時傳感器所檢測到的信號的頻率沒有隨著流量的增大而增大，而是停留在1230 Hz左右，頻率與流量也不是成正比例的關系。壓電式傳感器簡支安裝時傳感器所檢測到的信號的頻率是隨著流量的增大而增大，信號頻率和介質流量呈現出近似的線性關系。
    對于壓電式傳感器，當采用懸臂安裝方式的時候，傳感器所檢測到的旋渦進動信號的頻率會產生鎖頻現象;當采用簡支安裝方式的時候，這種鎖頻現象就消失了。作者認為產生鎖頻現象的原因是:在懸臂安裝方式下，集成壓電式傳感器伸入流場內的長度過長，而且又是一端固定在旋渦進動流量計的殼體上，使整個傳感器相當于一個懸臂梁。山材料力學的理論得知，懸臂梁越長，越容易受力彎曲，而且，離固定端越遠，懸臂梁的撓度就越大，就越容易產生受迫振動。當與集成壓電式傳感器的固有頻率一致時，或傳感器受到流場所作用的力到達一定限度的時候，就有可能發生激振，如果激振頻率相同，就會產生鎖頻現象。這也就解釋了為什么懸臂的信號幅值大的原因。所以，當傳感器相對于固定端來說距離越遠越容易受到流場作用力的干擾，也就是說，當干擾的強度相同時，遠端傳感器受到的影響更大，這個現象我們通過實驗得到了證實。
六、結論
    傳感器的安裝方式對旋渦進動流量計的測量有很大影響。懸臂式傳感器的安裝方式由于剛度較弱使傳感器固有頻率較低，這樣很容易與流固禍合產生的旋渦激振力的頻率相同而產生傳感器的共振，從而導致測量的鎖頻現象。為消除這種流固禍合所產生的測量鎖頻現象，可通過加強傳感器的剛度來實現。

【編語】在這里，感謝浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室的楊軍、傅新、彭杰鋼，您們的辛勞與智慧，給了我們無比強大的資料來源和精神動力。再次感謝您們的投稿以及無私奉獻的精神。———— 金湖聯儀自控設備有限公司 范茂平


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