摘要:長期以來，如何擴(kuò)展渦街流量計量程下限一直是一個問題。流體的流速脈動，局部阻力，管道的隨機(jī)振動都為解決這一問題帶來了難度。本文通過對設(shè)備物理性能的改進(jìn)和對信號數(shù)字處理方法的改進(jìn)，有效的擴(kuò)展了渦街流量計的量程下限。
1引言
渦街流量計是利用流體振蕩原理來進(jìn)行流量測量的。它具有以下有點(diǎn):儀表內(nèi)無活動部件、使用壽命長、測量精度高、測量范圍寬、輸出與溫度、壓力、密度粘度無關(guān)等等。但是它也存在明顯的缺點(diǎn)，即不能測小流量廠一般不能測雷諾數(shù)低于5以X)的流體的流量。這樣渦街流量計在實(shí)際測盤中就存在一個量程下限的死區(qū)，對大約滿t程1/巧以下的流童不敏感。這就需要我們盡可能的擴(kuò)展流且計的下卿，1.本文通過改進(jìn)殼體設(shè)計、管道內(nèi)部件的設(shè)置和數(shù)字信號處理方法，有效的擴(kuò)展了渦街流量計的下限。
渦街流t計的基本工作原理如圖l所示，在流體管道中插人一個渦街發(fā)生體(通常為三角柱)，流體將產(chǎn)生邊界層分離，并在柱的后面交替的產(chǎn)生有規(guī)則的漩渦，增大機(jī)械能的損耗。這兩列鑊渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，上面的一列按順時針方向旋轉(zhuǎn)，下面的一列按逆時針方向，稱為“卡門渦街”?？ㄩT渦街的頻率了與流體流速v發(fā)生體迎流面寬度d的關(guān)系，
其中，是流體流速，D是管道內(nèi)徑，”為流體的流動粘度。流體存在兩種典型的速度分布，層流和紊流。層流是流體質(zhì)點(diǎn)間相互不混雜、層次分明的一種流動。在管道中當(dāng)流動達(dá)到充分發(fā)展時，流速分布呈拋物面形狀。當(dāng)Re<2300，時，流體的流動形式一般為層流。如圖3所示。
3殼體設(shè)計的改進(jìn)
為了解決光纖渦街流量計所少到的關(guān)于流量下限不能太低的局限，在殼體的設(shè)計上，在流人口和流出口分別采用了漸縮管和漸擴(kuò)管。有流體力學(xué)的知識可知，雷諾數(shù)是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。雷諾數(shù)定義為流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm的比。
4管道內(nèi)部的改進(jìn)
如前所述，要想在渦街流量計內(nèi)形成穩(wěn)定的卡門渦街，流體的流速分布必須沿徑向盡可能的均勻，但是由于流體總是具有一定的粘性，所以在靠近管壁處流速為0，只有離開管壁一定距離號才能變平l2]。流速分布圖不僅與Re有關(guān)，而且與管壁的光滑程度以及流體所受的阻力分布有關(guān)。對于Re<2300的流體流t，就無法產(chǎn)生穩(wěn)定的卡門旋渦，這就是傳統(tǒng)的渦街流量計無法測量的雷諾數(shù)流體流量的重要原因。因此，為了能夠?qū)字Z數(shù)流利流量進(jìn)行測量，擴(kuò)展流量計的量程，必須盡量將流量計內(nèi)如圖3所示的流體速度分布變成如圖4所示的速度分布。
本文在靠近渦街發(fā)生體的上游增加了一層金屬絲網(wǎng)對流體進(jìn)行整流。金屬絲網(wǎng)能夠時靠近管道中心的較大流速的流體由于受到阻力而減小速度，則一部分流體轉(zhuǎn)而從靠近管壁處流走，進(jìn)而使靠近管壁處的流體流速增大，從而使得流體的流速分布均勻。更好的達(dá)到圖4所示的流速分布狀態(tài)。有效的擴(kuò)展流量計的下限。
5信號處理方法的改進(jìn)
由于管道的隨機(jī)振動、流速的脈動以及微小兩相流這些都給高精度的頻率計數(shù)帶來了困難，所以提取高噪聲下的有用信號就成了數(shù)字信號處理的關(guān)鍵。而一旦提取成功，渦街流量計的測量下限將大幅度擴(kuò)展。針對這個問題曾經(jīng)廣泛應(yīng)用了傅立葉變 換、基于Brug的極大嫡分析法等l’l?，F(xiàn)在隨著小波技術(shù)的不斷成熟，越來越多的應(yīng)用于信號處理的過程中151。本文提出了一種單支重建方法，能夠有效的擴(kuò)展流量計的下限。
在諸多影響信號強(qiáng)度的因素仲，流速是最主要的。當(dāng)渦街流量計在高流速狀態(tài)時，信噪比很高，噪聲減弱到可以忽略的程度。在低流速時，渦街信號和噪聲信號幾乎是重疊在一起的，微弱的有用信號淹沒在嚴(yán)重的噪聲中，若不經(jīng)過處理就容易將噪聲信號誤認(rèn)為是渦街信號。
本文在硬閉值的選用上，采用了特定的變斜率非線性闊值單元代替硬限值函數(shù)。單元函數(shù)為[4]
6實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以下是用小波單支重構(gòu)法進(jìn)行信號處理的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的管道口徑為25mm，對于低流速的流體的試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，小波重建方法對于渦街流量計的量程下限的擴(kuò)展具有一定的效果。
7結(jié)論
通過對相關(guān)設(shè)備的物理性能的改變和對數(shù)字信號處理方法的改進(jìn)，有效的去除了渦街信號中含有的噪聲成分，尤其是在低流速時。這樣就能更準(zhǔn)確的對低流速流體的流量進(jìn)行測量。從而擴(kuò)展了渦街流量計的量程。