【分享】旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量鎖頻現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

原稿：楊軍 傅新 彭杰鋼  供稿：金湖聯(lián)儀自控設(shè)備有限公司
(流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)，杭州310027)

【摘要】：本文主要講解了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)中流場(chǎng)于傳感器耦合所產(chǎn)生測(cè)量鎖頻現(xiàn)象。在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)DN50的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了壓電傳感器懸臂安裝和簡(jiǎn)支安裝的實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在懸臂安裝方式下出現(xiàn)了測(cè)量鎖頻現(xiàn)象，并分析了鎖頻產(chǎn)生的原因。提出通過加強(qiáng)傳感器剛度的方法來消除測(cè)量鎖頻現(xiàn)象的傳感器設(shè)計(jì)原則。
【關(guān)鍵詞】  旋進(jìn)旋渦流量計(jì)  安裝方式  鎖頻現(xiàn)象

【前言】在流體測(cè)量?jī)x表中，測(cè)量的方法是影響流星儀表測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。流體測(cè)量中傳感器與流體的流固耦合作用.使傳感器對(duì)流體的測(cè)量產(chǎn)生很大的誤差.作者用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)壓電式傳感器各種不同的安裝方式下測(cè)量進(jìn)行了研究。在研究過程
中，發(fā)現(xiàn)在懸臂安裝方式下流固耦合作用而導(dǎo)致的測(cè)量鎖頻現(xiàn)象.木文就這種鎖頻現(xiàn)象產(chǎn)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(xiàn)象的方法.

一、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)原理

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)組成如圖1所示。當(dāng)沿著軸向流動(dòng)的流體進(jìn)入流量傳感器入口時(shí)，旋渦發(fā)生體葉片強(qiáng)迫流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，于是在旋渦發(fā)生體中心產(chǎn)生旋渦流。旋渦流在文丘里管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，當(dāng)旋渦流進(jìn)入擴(kuò)散段后，因回流的作用強(qiáng)迫進(jìn)行螺旋狀進(jìn)動(dòng)。此時(shí)旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率和流體的流速成正比。壓電式傳感器檢測(cè)到微弱電信號(hào)通過前置放大器等處理就可以得到我們需要的流量信號(hào)。
二、實(shí)驗(yàn)裝置
    圖2所示為氣體流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，實(shí)驗(yàn)裝置為氣體流量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它由5個(gè)部分組成。

  I一梳場(chǎng)波動(dòng)模擬裝置，I用于在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬流場(chǎng)波動(dòng);II—夾表裝置，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)滿足不同表體的使用，為通用的表體夾具; III—標(biāo)準(zhǔn)流量校正裝置，木實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用音速噴嘴流量計(jì)作為校準(zhǔn)其他儀表的基準(zhǔn);IV—壓差產(chǎn)生裝置，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過真空
泵產(chǎn)生負(fù)壓，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)的入口和出口之間產(chǎn)生一個(gè)壓差，形成相對(duì)穩(wěn)定的空氣流來作為實(shí)驗(yàn)流體;V-計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于測(cè)量傳感器的輸出，主要由電荷放大器和用于采樣計(jì)算的美國DACTRON公司PHOTO便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀及計(jì)算機(jī)組成.      

     本實(shí)驗(yàn)的流量可由5個(gè)規(guī)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(shí)驗(yàn)的管道內(nèi)徑為50mm，流量計(jì)規(guī)格為DN50

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓電式傳感器安裝方式如圖3、4.圖3為簡(jiǎn)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(jìn)動(dòng)流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)中，使傳感器的感應(yīng)面正對(duì)著流體流動(dòng)的方向，旋渦進(jìn)動(dòng)的頻率就是通過傳感器來測(cè)量的。圖5和圖6為實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖。

 五、試驗(yàn)結(jié)果分析
    通過對(duì)壓電式傳感器懸臂和簡(jiǎn)支安裝方式的時(shí)域、頻域在不同流量情況下的波形進(jìn)行分析和處理，我們得到圖5流量幅值關(guān)系圖和圖6流量頻率關(guān)系圖。從圖5可知，兩種安裝方式中傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)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(guān)系，而且流量越大，這種正比例關(guān)系也越加明顯。壓電式傳感器懸臂安裝時(shí)所檢測(cè)到的信號(hào)的幅值比簡(jiǎn)支安裝時(shí)所檢測(cè)到的信號(hào)的幅值要稍大一些，傳感器懸臂安裝時(shí)所檢測(cè)到的信號(hào)的幅值約是傳感器簡(jiǎn)支安裝所檢測(cè)到的信號(hào)的幅值的1.4倍。從圖6可知，壓電式傳感器懸臂安裝時(shí)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)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(guān)系。壓電式傳感器簡(jiǎn)支安裝時(shí)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)的頻率是隨著流量的增大而增大，信號(hào)頻率和介質(zhì)流量呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。
    對(duì)于壓電式傳感器，當(dāng)采用懸臂安裝方式的時(shí)候，傳感器所檢測(cè)到的旋渦進(jìn)動(dòng)信號(hào)的頻率會(huì)產(chǎn)生鎖頻現(xiàn)象;當(dāng)采用簡(jiǎn)支安裝方式的時(shí)候，這種鎖頻現(xiàn)象就消失了。作者認(rèn)為產(chǎn)生鎖頻現(xiàn)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(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，而且又是一端固定在旋渦進(jìn)動(dòng)流量計(jì)的殼體上，使整個(gè)傳感器相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁。山材料力學(xué)的理論得知，懸臂梁越長(zhǎng)，越容易受力彎曲，而且，離固定端越遠(yuǎn)，懸臂梁的撓度就越大，就越容易產(chǎn)生受迫振動(dòng)。當(dāng)與集成壓電式傳感器的固有頻率一致時(shí)，或傳感器受到流場(chǎng)所作用的力到達(dá)一定限度的時(shí)候，就有可能發(fā)生激振，如果激振頻率相同，就會(huì)產(chǎn)生鎖頻現(xiàn)象。這也就解釋了為什么懸臂的信號(hào)幅值大的原因。所以，當(dāng)傳感器相對(duì)于固定端來說距離越遠(yuǎn)越容易受到流場(chǎng)作用力的干擾，也就是說，當(dāng)干擾的強(qiáng)度相同時(shí)，遠(yuǎn)端傳感器受到的影響更大，這個(gè)現(xiàn)象我們通過實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。
六、結(jié)論
    傳感器的安裝方式對(duì)旋渦進(jìn)動(dòng)流量計(jì)的測(cè)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(chǎn)生的旋渦激振力的頻率相同而產(chǎn)生傳感器的共振，從而導(dǎo)致測(cè)量的鎖頻現(xiàn)象。為消除這種流固禍合所產(chǎn)生的測(cè)量鎖頻現(xiàn)象，可通過加強(qiáng)傳感器的剛度來實(shí)現(xiàn)。

【編語】在這里，感謝浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊軍、傅新、彭杰鋼，您們的辛勞與智慧，給了我們無比強(qiáng)大的資料來源和精神動(dòng)力。再次感謝您們的投稿以及無私奉獻(xiàn)的精神。———— 金湖聯(lián)儀自控設(shè)備有限公司 范茂平


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