（检测技术与自动化装置专业论文）涡街流量传感器小流量测量性能研究.pdf

中文摘要 涡街流量传感器是一种比较新型的速度式流量仪表，近3 0 年发展迅速。因 其具有可靠性高、压力损失小、量程比宽等优点，被广泛应用于化工、石油、冶 金、轻工、食品等流程工业。对于目前工业现场常用的应力式涡街流量传感器， 受其工作原理制约，在进行流量测量时易受到外界各种干扰，从而影响其测量精 度及测量范围，该问题在小流量测量时尤为突出。本论文分别从数字信号处理方 法、传感器结构优化压电探头位置研究、纯硬件结构的仪表系数非线性修正 几方面，对涡街流量传感器在小流量测量时的性能进行全面优化和改进。 主要完成了以下工作： 基于h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 的数字信号处理方法改进。通过对小流量 时涡街信号进行时域和频域分析，总结有用信号、噪声的特征及形式。针对小流 量时的信号特点，对h h t 经典方法进行改进，使其更加适应涡街小信号去噪。 通过与经典数字信号处理方法f f t 的实验对比，验证了该方法在精确提取涡街 有用信号、扩展测量下限方面的实用性。 对目前工业中常用的应力式涡街流量传感器探头位置进行研究。分别在二维 和三维涡街流场中对三种尺寸的梯形柱旋涡发生体进行实验，通过分析压力、速 度信号在不同位置时的信号强度、信噪比、线性度等指标，最终分别确定了在二 维、三维流场中压电探头的最佳检测位置，指出应将探头置于发生体下游涡的成 熟区域，并推理出估算公式，揭示了影响该位置的因素。通过与涡街流量传感器 原设计进行对比实验表明，不仅测量下限有所降低，测量精度也有提高。并借助 流场数值仿真实验和理论分析对以下三个问题进行了详细讨论：二维、三维涡街 流场差异；基于涡量输运方程的涡街流场研究；梯形柱与圆柱旋涡发生体流场差 异。这些问题的研究与分析有助于更全面深刻地认识涡的产生、脱落机理、尾迹 特征以及涡街流场的速度压力分布。 提出基于c p l d 的硬件式仪表系数非线性修正方法。利用三次样条插值法对 小流量时超出线性度范围的仪表系数进行逼近，c p l d 程序中嵌入查找表对仪表 系数进行非线性修正，通过对查找表的优化，不仅节约了资源而且降低了功耗。 实验证明，修正后的涡街流量计可以在保证精度的基础上有效地扩展测量范围。 该方法对于存在仪表系数非线性问题的其他流量仪表也同样适用，具有良好的推 广性。 关键词：涡街流量传感器；h i l b e r t h u a n g 变换；压电探头；数值仿真；涡街流 场；c p l d ：仪表系数修正 a b s t r a c t v o r t e xf l o ws e n s o ri sak i n do fn o v e lv e l o c i t y t y p ef l o wi n s t r u m e n tw h i e hh a sb e e n d e v e l o p e df a s ti nr e c e n t 岫y e a r s i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wp r e s s u r el o s s ， w i d em e a s u r e m e n tr a n g e ，s t a b i l i z a t i o na n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di n c h e m i c a li n d u s t r y , p e t r o l e u m , m e t a l l u r g y , f o o di n d u s t r ya n do t h e rf l o wi n d u s t r y t o t h ep i e z o e l e c t r i cv o r t e xf l o ws e n s o rt h a ti sc o l n n l o n l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d ，t h e m e a s u r e m e n ti se a s i l yd i s t u r b e db ya n ye x t e r n a li n f e r e n c e sb e c a u s eo fi t so p e r a t i o n p r i n c i p l e ，w h i c ha f f e c t st h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dr a n g eo fv o r t e xf l o ws e n s o r t h ep r o b l e mi sm o r ei m p o r t a n ti nl o wf l o w r a t em e a s u r e m e n t 1 h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no nv o r t e xf l o ws e n s o r 1 b el o c a t i o no f p i e z o e l e c t r i cp r o b ea n dk f a c t o rm o d i f i e dm e t h o dw i t hh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na r e i n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l yi nt h et h e s i s 啊1 ea i mi s t oi m p r o v et h em e a s u r e m e n t p e r f o r m a n c eo f v o r t e xf l o ws e n s o ra tl o wf l o w r a t e s t h e m a i n l yr e s e a r c hw o r k so ft h i st h e s i sa r el i s t e di nt h ef o l l o w i n g r n l e i m p r o v e m e n t m e t h o do f h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ( h h t ) f i r s t l y , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e xs i g n a la tl o wf i o w r a t ea r ea n a l y z e di nt i m e d o m a i na n d f r e q u e n c y - d o m a i nr e s p e c t i v e l y 强es o u r c ea n dr e p r e s e n t a t i o no fn o i s ec o m p o n e n t s a r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h eh h tm e t h o di s i m p r o v e di no r d e rt op e r f o r mi t sb e t t e rd e n o i s ef u n c t i o ni nw e a kv o r t e xs i g n a l d e t e c t i o n f i n a l l y , b ye x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o nw i t h t h ec l a s s i c d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o df f t , i ti si n d i c a t e dt h a tt h ei m p r o v e dh h t m e t h o dc a l ln o to n l y e x t r a c tt h eu s e f u lv o r t e xs i g n a le x a c t l yb u ta l s oe x p a n dt h el o wl i m i to fm e a s u r e m e n t r e s e a r c ho nl o c a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cp r o b ei nv o r t e xf l o ws e n s o r e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u ti nt w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lv o r t e xf l o wf i e l d s r e s p e c t i v e l yw i t ht h r e et r a p e z o i d a lc y l i n d e r s n eo p t i m u md e t e c t i o np o s i t i o n so f t h e p r o b ei nt h et w of l o wf i e l d sa r ef m a l l yd e t e r m i n e db ya n a l y s i so ns i g n a li n t e n s i t yo f p r e s s u r ea n dv e l o c i t ys i g n a l s ，s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，l i n e a r i t ya n ds oo n f u r t h e r m o r e ，a f o r m u l af o rt h eo p t i m u mp o s i t i o ne s t i m a t i o ni sd e d u c e d , w h i c hd i s c l o s e si n f l u e n c i n g f a c t o r so ni t b ye x p e r i m e n t a lc o n t r a s tt ot h eo r i g i n a ld e s i g no ft h ev o r t e xf l o ws e n s o r , i ti si l l u s t r a t e dt h a tt h ei m p r o v e dd e s i g nh a sb e t t e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dl o w e r l i m i to fm e a s u r e m e n t m o r e o v e r , t h r e ep r o b l e m sa p p e a r e di ne x p e r i m e n t sa r em a i n l y d i s c u s s e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ：t h ed i f f e r e n c e so f t w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lv o r t e xf l o wf i e l d s ；s t u d yo fv o r t e xf l o wb a s e d o nv o r t i c i t y t r a n s p o r te q u a t i o n ；t h ev a r i a n c eo ff l o wf i e l d sw i t ht r a p e z o i d a lc y l i n d e r a n dc i t e u l a rc y l i n d e r , t h o s eo fw h i c ha r eu s e f u lf o ru st og e tm o r ek n o w l e d g ei nv o r t e x f l o wf i e l d , s u c ha sg e n e r a t i o na n ds h e d d i n go fv o r t i c e s ，c h a r a c t e r i s t i c so fw a k e ， d i s t r i b u t i o no fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ea n ds oo n n o n l i n e a r i t ym o d i f i e dm e t h o do fk f a c t o rb a s e do nc p l d ，w h i c hi si m p l e m e n t e d b yh a r d w a r e t h es p l i n ei n t e r p o l a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oa p p r o x i m a t er e l a t i o n c t l r v eo ff l o w r a t ea n dk ，f a c t o r 日1 em o d i f i e da l g o r i t h mi s r e a l i z e d b y l o o k u p t a b l e ( l u t ) w h i c hi se m b e d d e di nc p l d d e s i g na n do p t i m i z a t i o no nt h e l u ti sp a i dm o r ea t t e n t i o n , b e c a s u r ei ti sn o to n l yr e d u c i n gt h ep o w e ro fs y s t e mb u t a l s os a v i n gt h ec p l dr e s o u r c e s t h r o u g he x p e r i m e n t s ，i ti s i n d i c a t e dt h a tt h e m e a s u r e m e n tr a n g ei se x p a n d e dw i t h i na c c u r a c y1 e v e lb yv o r t e xf l o w m e t e rw i t h n o n l i n e a r i t ym o d i f i e d t i l i sm e t h o di sa p p l i c a b l ei na n yo t h e rf l o w m e t e r sw h i c h h a v e t h es a m en o l i n e a r i t yp r o b l e mo fk f a c t o r k e yw o l i d s ：v o r t e xf l o ws e n s o r , h i l b e r t - h u a n gt r a n s f e r , p i e z o e l e c t r i cp r o b e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , v o r t e xf l o wf i e l d ，k f a c t o rm o d i f i e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盔生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作1 7 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：却冉碍签字同期： 山。7 年2 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壁监一有关保留、使用学位论文的规定。 晴授权天津大- 望呵以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 印习家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) ! 值玲文作者签名：关隅再 釜，_ 期：劲呵年二月多同 翩虢弓m 签字吼伊墨年。月哆日 第一章绪论 1 1 涡街流量计概述 第一章绪论 温度、压力、流量是工业自动化领域的三大检测参数。流量计在国民经济各 部门都有广泛应用。随着节能降耗和工业生产自动化的发展，在国民经济各领域 对流体流量计量的需求在不断增长。 流量测量有很长的历史，早在古代就有埃及人通过观测尼罗河流量来预报年 成的好坏。随着技术的发展特别是近4 0 年来的电子技术的进步，流量测量的方 法发生了巨大变化。由传统的流量计如孔板流量计、涡轮流量计、容积式流量计 发展到新技术流量计，例如超声流量计、流体振动型流量计等等。其中，涡街流 量计属于流体振动型流量计，是本课题的研究对象。 在自然界中，存在许多流体振动现象。例如旗帜在风中飘扬；野外架空电线 在风中发出嗡嗡声响；小溪流使水中的水草、禾苗、小树干频频摆动等，都是流 体振动现象的具体表现。在流体振动现象中，流体振动频率与流速之间存在着对 应关系。应用这种原理测量流量的仪表主要包括旋涡分离流量计常称涡街流量 计；旋涡进动流量计常称旋进旋涡流量计和射流流量计【l 】。 早在1 8 7 8 年斯特罗哈( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系的 文章，斯特罗哈数就是表示旋涡频率与旋涡发生体直径、流速关系的相似准则。 人们早期对涡街的研究主要是为了防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与 流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。5 0 年代开始用于测量研究，如风速 计和船速计等。6 0 年代末开始研制涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测 法涡街流量计。7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型检测法 的涡街流量计，如应力式、电容式、超声式、振动式、应变式、光电式和光纤式 等，并迅速大量生产投放市场，像涡街流量计这样在短短几年时间内从实验室样 机到批量生产的流量计还绝无仅有。基于涡街流量计的诸多优点【2 j ，其在轻工、 食品、化工、石油、电力、冶金、城市公用事业等领域都得到了广泛应用。 本课题选取了涡街流量计中的一种典型类型应力式涡街流量计进行研 究。应力式涡街流量计又称为压电式涡街流量计，是涡街流量计的主要产品，占 市场份额的9 0 以上。如图1 1 为目前工业上常用的应力式涡街流量计，它采用 压电敏感元件将涡街流量计旋涡发生体上受到的横向交变升力作用转换为电信 号，再通过信号处理单元从检测到的电信号中提取涡街频率，进而根据涡街频率 第一章绪论 与流体流量的关系得到被测流量 图1 - 1 应力式涡街流量计 1 2 目前存在的主要问题及研究现状 压电壤感元件 ( 压电探头】 尽管涡街流量计具有诸多优点但在应用中还存在咀下主要问题尚待完善， 这些问题的改善将有利于涡街流量计的推广。涡街流量计的测量原理是基于涡街 现象，在涡街现象中，雷诺数( r e ) 在较宽范围内其斯特罗哈数( s t ) 为常数， 此范围可运1 0 0 0 ：1 。但在实际应用中，涡街流量计的量程比仅能达到1 01 。问题 主要出在了小流量测量上：是由于应力式涡街流量计工作原理的关系。根据升 力定理，流速越小满街信号越微弱，越不易检测到。加之工业现场普遍存在的各 种干扰，如管道机械振动干扰：水泵、风机、大电机运行时会使管道处于持续振 动状态，阀门的开启会瞬间给管道带来冲击：流场干扰：流场不稳定，现场直管 段长度达不到要求。这些干扰的强度在小流量时要大于涡街微弱信号并将其淹 没，因此在进行流量测量时无法得到真实的涡街频率，从而制约了其测量范围。 二是仪表系数非线性影响。在干扰不太强烈流速不太低的情况下，是可以检测到 涡街真实频率的，但由于其仪表系数的线性度误差超出了流量计所允许的误差范 围，仍不能作为涡街流量计的有效测量范围，使其量程比受限。上述两个问题均 影响了涡街流量计特点的发挥，也阻碍了其发展口。可见，目前涡街流量计存 在的主要问题是难以保证低流速时的测量精度，进而制约了其测量范围。解决这 一问题对于改善涡街流量计的可靠性和扩大量程比具有重大意义。 这些问题的存在与涡街流量计的测量原理、涡街表体的机械结构( 包括旋涡 发生体形状，压电探头位置) 、压电敏感元件性能与结构、流量计的现场安装、 信号处理方法等都有密切关系，国内外学者也从这些方面对涡街流量计进行研 第一章绪论 究，近期取得的研究进展如下： ( 1 ) 旋涡发生体形状的研究 旋涡发生体是涡街流量计的关键部件。y a m a s a k i 指出涡街流量计的流量特 性( 仪表系数、线性度、重复性、测量范围) 和阻力特性都与发生体的形状与几 何参数密切相关【5 1 ，所以对旋涡发生体形状优化的研究具有重要意义。对它的设 计最重要的是能产生强烈且稳定的涡街信号，其次还要考虑加工、耐腐蚀、耐高 温等要求【6 7 j 。 最先开始在涡街流量计中使用的发生体是圆柱体【8 】，但对稳定边界层分离点 的效果不好，随着r e 的改变而改变，进而造成s t 的变化，影响了仪表的线性度。 为了稳定分离点，许多学者提出在发生体上加锐边 9 - - - 1 2 】，使s t 在较宽的r e 范围 内基本不变。1 9 7 3 年，c o u s i n s 等人【1 3 】通过实验发现，不同形状的旋涡发生体其 最佳阻塞比( 发生体宽度d 与管道直径d 的比值d d ) 也不同，圆柱的最佳阻 塞比d i ) ：- 0 3 3 o 3 8 ；三角柱d d = - 0 2 9 - 4 ) 3 2 ；矩形柱d d = 0 2 4 - - 0 2 8 。c o u s i n s 还 证明了管壁对卡门涡街现象的影响不可忽视。 1 9 7 8 年，i g a r a s h i 提出一类新的发生体形状中间具有缝隙的发生体。通 过对带有缝隙的圆柱体实验发现【m 1 6 】：该缝隙的存在能够改善涡街信号质量， 改变旋涡脱落的强度以及稳定性。随后，i g a r a s h i 又对带有缝隙的三角半圆柱进 行实验【l 丌，涡街信号质量以及线性度都得到了改善，且压损也明显减小。还有不 少学者针对这类发生体进行了研究【l 1 1 ，得到类似结论。 缝隙的作用引发了更多学者思考，双钝体逐步产生，即旋涡发生体由两个独 立部分组成。1 9 8 5 年，b e n t l e y 2 2 2 4 通过实验指出，对于双旋涡发生体，涡街信 号质量除受阻塞比、形状尺寸影响，还与两发生体之间距离有密切关系，决定了 信号的强度以及稳定性。2 0 0 3 年，彭杰纲【2 5 】通过流场仿真技术和实验流体力学 相结合的方法，研制出比传统单钝体涡街流量计下限降低约5 0 的新型双钝体涡 街流量计，并给出了双钝体涡街流量计的设计准则。 无论是单钝体还是双钝体，发生体形状上的微小变化都会给涡街信号带来很 大影响。l u o 2 6 】通过逐渐改变方形柱尾部形状，发现随着尾部形状收缩程度越来 越大，发生体两侧边界层相互作用加快，旋涡脱落变快，s t 变大。b e n t l e y 2 7 】以 双矩形柱旋涡发生体为基础，对后钝体的形状加以变化，通过实验发现：当前后 缘都凸起时重复性最好。此外，两钝体间距要稍小一点，这样可以保证在前钝体 刚出现涡的时候就遇到后钝体，增强涡的稳定性。 除以上传统形状的旋涡发生体外，m i a u 还对圆盘状口蜘、环状以及t 形柱 【3 0 j 旋涡发生体进行研究。 ( 2 ) 探头安装位置研究 检测旋涡脱落的压电探头可以安装在流量计中不同位置，在实际应用中，一 第一章绪论 般分为三类：发生体内部、管壁取压和独立于发生体安装在发生体下游。宗旨都 是为了使传感器可以检测到更强、更稳定的涡街信号。对于探头位置研究的相关 报道很少，经检索只查到如下几篇文献： s a 箍m 趾【3 1 , 3 2 等认为旋涡的强度因为能量的耗散会随着向旋涡发生体下游的 运动而慢慢衰减，涡量随之被淹没，涡街之间中心线上的流动也会逐渐趋于自由 流动的速度。 t 锄e d a 【3 3 通过实验证明涡街现象的稳定性会在旋涡发生体后的某一点突然 被破坏，他发现当雷诺数范围在1 0 r e 1 0 3 时涡街的衰减点在5 0 倍管径处，并 认为随着r e 数的进一步增加衰减点会向前移，但他并没有给出两者之间具体的 函数关系式。 1 9 9 1 年，p a n k a n i ngl 对中间有缝隙的圆柱旋涡发生体进行研究l 蚓，通过 实验发现，改变发生体宽度以及中间缝隙的大小都会对涡街频率稳定性产生影 响。同时指出，压电探头位置也会对涡街信号稳定性产生影响。1 9 9 5 年，p a n k a n i n 对该发生体进行了进一步研斜3 5 , 3 6 ，通过实验比较了压电探头放在三个不同位置 时信号的信噪比以及稳定性：发生体内部、发生体侧面以及发生体后部与发生体 分离的位置。发现探头放在发生体后部信号质量最好。针对后部又研究探头距发 生体的位置，指出不同位置得到的仪表系数以及信号频率的稳定性都不同。1 9 9 8 年又对中间有缝隙的矩形柱旋涡发生体进行了实验【37 1 ，分别对压电探头放在发生 体内部以及发生体下游情况进行比较，通过信号采样以及信号处理，发现探头在 发生体下游时信号质量较好，而且在下游不同位置信号质量也各不相同。 虽然压电式检测方法较其他检测法总体效果最好，也最为常用。但是，压电 式检测法存在两个严重的问题，一是对振动敏感，二是长期使用稳定性较差，特 别是无法在高温下测量。于是许多学者提出了其他检测涡街信号的方法并研究最 佳检测位置： 2 0 0 4 年，孙志强根据流体力学基本原理，并结合涡街流量计的特点，提出 在管壁上安装差压传感器【3 8 】，通过检测旋涡发生体后管壁处的差压信号频率来检 测涡街流量计的旋涡频率。理论分析和实验结果均表明该方法检测的涡街频率更 稳定、抗干扰性更好。w m d o r f e r 和h a n s 利用超声方法检测涡街频率 3 9 , 4 0 ，针对 孔径比为o 2 4 的三角柱旋涡发生体，可以将超声探头安装在旋涡发生体上游靠 近发生体的位置，通过频谱分析可将涡街频率提取出来。但同时也指出对于t 形柱，这样的检测位置是不合理的，容易产生噪声，很难检测出涡街信号。因此， 检测方式、检测位置以及发生体形状三者都要配合好，才能获得最佳检测效果。 ( 3 ) 压电元件封装形式及结构研究 压电元件是一种有源元件，在外力作用下，它自身可以产生电荷( 或电压) 信号。它对力和加速度的作用相当敏感。在静止状态，只要有力或加速度作用到 第一章绪论 检测元件，它就可以产生与作用力同步的电信号，这种信号经过测量电路的放大， 就会变成脉冲信号输出，引起仪表计数单元动作。在工作状态，由于涡街信号较 强，如果涡街信号大于振动干扰信号，这种影响不会引起测量误差。如果在流量 较小或静止状态，这种振动干扰信号会引起很大的测量误差，甚至使仪表无法正 常工作。 对于压电式涡街流量计，在进行流量测量时易受到现场各种设备引发的管道 振动以及流场不稳定等干扰，这些干扰会使压电信号输出波形失真。尽管可以采 用对称悬臂梁、绞支梁结构等抑制干扰的措施，然而由于振动、振幅和振动方向 不定以及理论设计与实际的差异等原因而无法完全消除振动干扰，在低流速或零 流量时会使仪表输出错误信号而影响计量精度1 4 。 1 9 9 7 年，刘晖提出了传感器采用双压电晶片结构的方法来提高压电式涡街 流量计的抗振性能 4 3 1 。2 0 0 0 年，m i a u 等人实验证明了压电晶体包以橡胶材料， 再在外面敷设一层硅膜可有效减小对系统外界振动的敏感性【4 2 】。 ( 4 ) 数字信号处理方法研究 传统涡街流量计广泛采用的信号处理单元是一套模拟的电荷放大滤波整 形电路。它将压电敏感元件输出的高阻抗电荷信号通过电荷放大器转换为交变电 压信号，再通过积分滤波电路去掉信号波形上高频成分的同时对信号进行整形， 最后得到对应于涡街交变升力的方波电压输出【删。实践证明，在信噪比较高的情 况下，这种模拟信号处理方法检测信号的效果很好。但是，当信噪比较低、检测 信号中包含了幅值较大的周期性或冲击噪声时，这种方法不能有效地滤除噪声成 分，容易造成整形时的误触发，产生错误的测量结果。事实上，被测涡街频率的 频带很宽，而噪声不仅来源、成分复杂，而且其频带往往位于有用信号的频带中， 因此很难用一般的滤波方法去除强周期性噪声。更重要的是，有用信号波形的峰 值大致与流速的平方成正比，因此当测量低流速时，涡街频率较低，信号幅值较 小，信噪比降低，经常性噪声( 如流动噪声) 的幅值则相对增强，以至于淹没有 用信号【4 7 1 。由于这些情况主要出现在测量的小流量段，信号处理方法的不足 直接导致了流量计量程的缩小，最终导致了涡街流量计测量范围窄，低流速、小 口径下应用受到限制。 通过上述分析可见，由于复杂噪声的存在，信号的时域波形会发生各种畸变， 采用模拟信号处理的方法在时域上进行信号处理很容易影响到检测的可靠性和 准确度。而信号的频域特征对噪声则比较不敏感。尤其是对冲击噪声、流动噪声 等对时域分析影响较大的噪声类型有很强的抵抗能力。另一方面，流量计检测信 号中包含的有用信息( 涡街频率) 恰恰是信号重要的频域特征。因此，研究如何 有效地分析检测信号的频域特征、从复杂的噪声背景中提取出涡街频率以扩大量 程比、改善流量计的测量质量，已成为涡街流量计信号处理研究的重点之一。目 第一章绪论 前，许多国内外学者从数字信号处理角度对这一问题进行分析，来解决涡街流量 计测量下限的问题，取得了一定的突破。 国内学者的主要成果有： 自上世纪9 0 年代，合肥工业大学的徐科军教授就一直从事涡街信号处理方法 的研究，先后研究了基于f f t 的经典谱分析法【4 8 1 、最大熵谱法【4 9 1 、自适应陷波方 法 5 0 , 5 1 、小波分析方法【5 2 1 、功率谱分析方法和互相关法【5 3 1 、自适应滤波方法 蚓 等多种数字信号处理方法，并研制了基于d s p 的硬件系统，利用周期图谱分析方 法计算涡街信号频率，达到比较好的效果p 5 | 。 2 0 0 3 年，浙江大学黄咏梅等提出- 了d f t 递推算、法【删，2 0 0 5 年又提出了基于 h i l b e n h u a i l g 变换的数字信号处理方法【5 7 1 。d f t 递推算法按逐点递推的方式计算 信号频率，计算量明显减小；h i l b e r t h u a n g 变换计算量小，能够满足涡街流量计 在实际工程应用中的要求，此算法是1 9 9 8 年由美国n eh u a n g 首次提出，在时域 和频域均有较高的分辨率。应用在正常流量范围内的效果还可以，但是对于小流 量没有进行研究。 2 0 0 4 年，上海大学的陈洁，李斌主要从采样点数、非整周期采样、分辨率 分析了谱分析法处理涡街流量信号的问题。得出，在测量低流速时有一定的优越 性，但是在更低速时就难以进一步提取有用信号。这种方法一般用于信号和噪声 重叠部分非常小或者完全分开的情况，因此单纯用谱分析来扩展涡街流量计的量 程下限还存在着很大的局限性p 列。 重庆大学蒙建波等采用基于最小均方自适应l m s 算法和修正的线性预测谱 估计分析涡街频率。在由风洞、热线探针、旋涡发生体、前置处理电路和a p p l e 微机构成的测量系统上实现了涡街频率的在线测量处理。此后又研制了8 位微处 理器为核心的流量积算仪，配合应力式涡街流量传感器在天然气输气管道上进行 了现场运行实验，验证了谱分析方法用于涡街流量传感器信号处理的可行性。但 是，没有研究计算的精度和小型化问题。另外，这种方法对谐波干扰的抑制能力 较差 4 6 , 4 7 。 哈尔滨工业大学龚振起等采用基于快速递归最d - 乘算法的a r 模型参数估 计方法处理涡街信号，并研制了准1 6 位8 0 9 8 单片机核的涡街流量计信号处理器。 装置在国家原油大流量检定站的水流量检定装置上进行检定，达到1 0 级表标准， 与普通信号处理装置相比具有明显的抗振动噪声能力【5 刿。 近几年，本课题组在张涛教授主持下对涡街信号处理方面的研究也取得了很 大进展。凌箐硕士研究的松弛陷波周期图法【删、吴鹏硕士研究的子波变换消噪方 法t 6 1 - 6 3 、以及作者在硕士阶段提出的基于双窗松弛陷波周期图法【删和基于 d u f f m g 振子的混沌算法【6 5 】等都得到了很好效果。孙宏军博士在分析了众多前人 研究成果基础上，针对信号处理中时域、频域、时频分析的各种方法进行了比较 第一章绪论 和改进 6 叼：在频域方法比较中，提出基于相角判据的r i f e 修正谱估计算法；在时 频分析方法比较中，完善t 4 , 波分析算法的滤波检频过程 6 7 - , 6 9 1 ；在时域数字滤 波算法比较中，提出双抽样判据的滤波算法对信号进行时域滤波。这些方法都实 现了拓宽测量下限的目的。 国外学者的主要成果有： 1 9 9 0 年，s c h l a u e r 等人研究了旋涡流量计工作条件下的噪声情况，在建立噪 声模板和信号模板的基础上，提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消 除流量测量中的强噪声。但噪声情况各种各样，不易获得所有噪声模板【_ 7 0 1 。 1 9 9 2 年，k a w a n o 在涡街信号处理方面通过增强非流线体的刚度和由微处理 器控制的自适应低通滤波方法来提高流量计的信噪比，同时又通过一个自适应函 数辨别器提高仪表可靠性。但是，由于限制了频率，无法测量小流量，量程比受 到了限制t n j 。 1 9 9 3 年，a m a d i e 研究了工作环境的噪声对旋涡脱落频率的影响，分别给出 了在现场离心泵、容积式泵和振动器工作情况下流量计传感器输出信号，采用基 于f f t 的谱分析来计算旋涡信号频率，提高了流量计的测量精度。同时使用系统 辨识技术，根据涡街流量计输出信号变化来监测工作现场的情况【7 2 ，7 3 1 。 1 9 9 7 年，m e n z 将传感器融合应用于流量计测量，研究了以超声波为探测元 件的涡街流量计，这种流量计既可以直接测量涡街分离频率，也可以测出旋涡通 过两个测量点的时间，再计算流量。用融合的方法将这两种测量结果进行处理， 得到新的测量值，从而提高了测量精度，削弱流体噪声的影响【7 4 】。 2 0 0 1 年，m a s a n o dh o n d o h 等提出了结合传统电路分析、滤波技术和周期图 谱分析方法的涡街信号处理系统【7 6 】。 2 0 0 3 年，c l a r k e 和g h a o u d 设计了基于双锁相环的信号处理电路，覆盖了涡街 信号的整个频段，对流量变化较大的信号，相比原始的处理方法精度更高，对信 号的跟踪更准确 7 5 】。 ( 5 ) 数字涡街产品化研究 随着数字信号处理方法研究的不断深入，一些生产涡街流量计的公司也加入 其中，并且将该技术应用于涡街流量计产品的开发中，基于不同信号处理方法的 数字涡街相继问世。 日本横河( y o k o g a w a ) 公司采用信号频谱分析技术，研制了以微处理器为 核心的数字涡街流量计【7 7 ，7 8 】；美 r o s e m o u n t 公司研制了以数字跟踪滤波器为核 心的8 0 0 0 系列等，并已经申请了专利【7 9 - - 8 1 】；f o x b o r o 公司采用自适应滤波技术来 提高测量精度 8 2 】；a b b 公司采用数字滤波技术推出t t r i o - w i r lv t t 8 3 1 。除具 有测量范围宽、精度高等优点外，一些辅助功能的设计也增强了产品的竞争力， 比如自诊断、自校正、一体式、通讯等功能。 ， 第一章绪论 国内厂家对数字涡街产品的研制尚处于起步阶段，也取得了一定进展。沈阳 兰申电器有限公司瞰】推出的智能型涡街流量计l v t c 系列，在硬件上采用可变增 益放大器以适应各种口径涡街传感器的信号强度，采用可变频宽多级滤波器对涡 街信号进行有效的预处理。在软件上采用d s p 技术，实现1 4 频段自适应带通滤 波器算法。这种智能型涡街流量计使其测量下限向下延伸至原来的1 2 1 4 ，从 而扩展了量程范围。本课题组多年来也一直从事数字涡街的研究工作，实现了低 功耗运行的数字涡街流量计 8 5 , 8 6 ，达到工业应用水平。 ( 6 ) 数值仿真方法研究 受直接观测以及实验装置等条件的限制，用数值仿真方法研究传感器内部流 场变化是一种非常有效的方法，它可以使研究者很直观地观察到流场的实时变 化，对研究流场内部信息具有很强的实际意义。2 0 0 0 年，李玲凹】首次采用基于 r n g 方法的湍流模型对绕流钝体后尾流流场进行了数值模拟，通过与实验数据 比较，指出基于r n g 方法的湍流模型对于与时间相关的大尺度运动旋涡脱 落的尾流详细结构能够进行真实模拟。此后，吴文权【9 l 】采用基于离散涡方法求解 非定常、不稳定流场，揭示了流体运动中涡对结构的本质。李晓渝【9 2 j 等人在离散 涡方法中应用随机微分方程理论求解二维钝体绕流问题。这些方法的实现都需要 联立求解多个方程，对计算机的运算速度、存储容量以及对技术人员流体力学知 识的掌握提出了很高要求。随着计算机技术的发展以及一些商用c f d 软件的出 现，可以比较方便且容易地借助c f d 软件对钝体绕流问题进行研究。孙志强p 3 j 等人应用f l u e n t 计算软件对涡街流量计流场进行数值仿真，结果与实测结果 具有很好的一致性。 除以上所论述的六个方面外，对涡街流量传感器的研究还包括了对涡街信号 检测方法 8 7 8 9 1 以及涡街流量计在两相流测量方面的应用 9 4 , - x ) 9 研究。 1 3 课题主要研究内容 基于以上国内外学者对涡街流量计研究现状，为解决目前应力式涡街流量计 小流量测量问题，提出本课题的研究内容，分为以下几个方面： 1 基于h i l b e r t - h u a n g 变换( h h t ) 的数字信号处理方法研究。首先对小流量 时涡街信号进行特征分析，通过计算机信号采集系统对不同流量时的涡街 信号采样，分别从时域和频域分析涡街信号特征，特别针对小流量时涡街 有用信号和噪声信号进行分析，总结噪声来源及形式。其次，讨论了目前 常用的数字信号处理方法：快速傅立叶变换( f f t ) ，小波变换( w t ) 等在 涡街小流量信号处理时的不足。基于以上两点最终提出了h i - i t 涡街信号处 理方法，在此基础上针对涡街信号特点进行算法改进，并通过实验验证了 第一章绪论 改进算法的实用性和有效性。 涡街流量传感器压电探头位置研究。要解决小流量测量问题，涡街传感器 机械结构的优化十分重要。以往的研究主要集中在旋涡发生体形状上，而 针对应力式涡街流量传感器压电探头位置的研究少有报道。本论文就目前 工业中常用的应力式涡街流量计中探头位置进行研究，分别在二维和三维 流场中对三种尺寸的梯形柱旋涡发生体进行实验，通过分析压力、速度信 号在不同位置时的信号强度、信噪比、线性度等指标，最终确定了压电探 头的最佳安装位置，推理出最佳位置估算公式，揭示了影响探头位置的各 种因素，并通过数值仿真实验对结果进行了分析解释。 涡街流量传感器二维、三维流场差异讨论。通过在二维水槽、风洞以及三 维管道中的实验，发现同一旋涡发生体在两种实验条件下得到的涡街频率 以及信号强度的变化规律均有较大差异。借助流体力学数值仿真实验分别 对二维、三维涡街流场进行对比分析，从涡的结构以及脱落形式等角度最 终给出了造成差异的原因。 基于涡量输运方程的涡街流场研究。由实验发现，探头的安装位置以及长 短直接影响涡街频率以及强度的大小，涡街频率在流向和法向方向上均出 现了频移现象。通过对涡量输运方程进行推导，分析探头受力以及发生体 尾迹的三维特征，从物理本质上对这一问题进行了研究与讨论。 圆柱与梯形柱发生体涡街流场差异分析。许多学者的研究都是针对圆柱发 生体来分析涡街现象，而对于本课题研究的涡街流量传感器，所采用的是 梯形柱旋涡发生体，两者流场的差异会直接影响涡街信号的变化规律。实 验发现，在低雷诺数时两发生体r e s t 关系曲线趋势截然相反。通过对两发 生体流场进行数值仿真实验，揭示发生体下游尾迹区域对涡形成以及脱落 的影响，最终对该现象进行了解释。 基于c p l d 的硬件式仪表系数非线性修正。通过大量实验发现，在小流量 测量时会发生这种情况：当噪声不太强烈的时候可以检测到涡街有用信号 的频率，且重复性很好，但是得到的仪表系数超出了线性度范围从而影响 了仪表的测量范围。本论文提出一种纯硬件结构的基于c p l d 的仪表系数 非线性修正方法，通过修正实现扩展量程的目的。该方法稳定、可靠，且 可以实现低功耗，适用于存在仪表系数非线性问题的其他流量仪表，具有 良好的推广性。 1 4 课题的创新点 1 提出了基于h h t 的小流量涡街信号频率提取方法。充分发挥h h t 的时频 第一章绪论 分析优势，将其作为自适应滤波滤掉信号中的噪声成分。针对涡街信号的 特点，在经典h i - i t 方法的基础上进行改进，对各趋势分量的瞬时频率进行 概率密度统计，将其作为经验模态分解判据。通过实验验证了该