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信号数字处理方法的改进有效扩展涡街流量计的

  长期以来,如何扩展涡街流量计量程下限一直是一个问题。流体的流速脉动,局部阻力,管道的随机振动都为解决这一问题带来了难度。本文通过对设备物理性能的改进和对信号数字处理方法的改进,有效的扩展了涡街流量计的量程下限。              
  涡街流量计是利用流体振荡原理来进行流量测量的。它具有以下有点:仪表内无活动部件、使用寿命长、测量精度高、测量范围宽、输出与温度、压力、密度粘度无关等等。但是它也存在明显的缺点,即不能测小流量厂一般不能测雷诺数低于5以X)的流体的流量。这样涡街流量计在实际测盘中就存在一个量程下限的死区,对大约满t程1/巧以下的流童不敏感。这就需要我们尽可能的扩展流且计的下卿,1.本文通过改进壳体设计、管道内部件的设置和数字信号处理方法,有效的扩展了涡街流量计的下限。
  涡街流t计的基本工作原理如图l所示,在流体管道中插人一个涡街发生体(通常为三角柱),流体将产生边界层分离,并在柱的后面交替的产生有规则的漩涡,增大机械能的损耗。这两列镬涡的旋转方向相反,上面的一列按顺时针方向旋转,下面的一列按逆时针方向,称为“卡门涡街”。卡门涡街的频率了与流体流速v发生体迎流面宽度d的关系,
  其中,是流体流速,D是管道内径,”为流体的流动粘度。流体存在两种典型的速度分布,层流和紊流。层流是流体质点间相互不混杂、层次分明的一种流动。在管道中当流动达到充分发展时,流速分布呈抛物面形状。当Re<2300,时,流体的流动形式一般为层流。如图3所示。
  3壳体设计的改进
  为了解决光纤涡街流量计所少到的关于流量下限不能太低的局限,在壳体的设计上,在流人口和流出口分别采用了渐缩管和渐扩管。有流体力学的知识可知,雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数定义为流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm的比。
     4管道内部的改进
  如前所述,要想在涡街流量计内形成稳定的卡门涡街,流体的流速分布必须沿径向尽可能的均匀,但是由于流体总是具有一定的粘性,所以在靠近管壁处流速为0,只有离开管壁一定距离号才能变平l2]。流速分布图不仅与Re有关,而且与管壁的光滑程度以及流体所受的阻力分布有关。对于Re<2300的流体流t,就无法产生稳定的卡门旋涡,这就是传统的涡街流量计无法测量的雷诺数流体流量的重要原因。因此,为了能够对雷诺数流利流量进行测量,扩展流量计的量程,必须尽量将流量计内如图3所示的流体速度分布变成如图4所示的速度分布。
  本文在靠近涡街发生体的上游增加了一层金属丝网对流体进行整流。金属丝网能够时靠近管道中心的较大流速的流体由于受到阻力而减小速度,则一部分流体转而从靠近管壁处流走,进而使靠近管壁处的流体流速增大,从而使得流体的流速分布均匀。更好的达到图4所示的流速分布状态。有效的扩展流量计的下限。
  5信号处理方法的改进
  由于管道的随机振动、流速的脉动以及微小两相流这些都给高精度的频率计数带来了困难,所以提取高噪声下的有用信号就成了数字信号处理的关键。而一旦提取成功,涡街流量计的测量下限将大幅度扩展。针对这个问题曾经广泛应用了傅立叶变 换、基于Brug的极大嫡分析法等l’l。现在随着小波技术的不断成熟,越来越多的应用于信号处理的过程中151。本文提出了一种单支重建方法,能够有效的扩展流量计的下限。
  在诸多影响信号强度的因素仲,流速是最主要的。当涡街流量计在高流速状态时,信噪比很高,噪声减弱到可以忽略的程度。在低流速时,涡街信号和噪声信号几乎是重叠在一起的,微弱的有用信号淹没在严重的噪声中,若不经过处理就容易将噪声信号误认为是涡街信号。
  本文在硬闭值的选用上,采用了特定的变斜率非线性阔值单元代替硬限值函数。单元函数为[4]
   6实验结果
  以下是用小波单支重构法进行信号处理的结果。该实验的管道口径为25mm,对于低流速的流体的试验结果如下图所示。试验结果表明,小波重建方法对于涡街流量计的量程下限的扩展具有一定的效果。
  通过对相关设备的物理性能的改变和对数字信号处理方法的改进,有效的去除了涡街信号中含有的噪声成分,尤其是在低流速时。这样就能更准确的对低流速流体的流量进行测量,从而扩展了涡街流量计的量程。

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