【分享】旋进旋涡流量计测量锁频现象的实验研究

原稿：杨军 傅新 彭杰钢  供稿：金湖联仪自控设备有限公司
(流体传动及控制国家重点实验室，浙江大学，杭州310027)

【摘要】：本文主要讲解了旋进旋涡流量计中流场于传感器耦合所产生测量锁频现象。在自行设计的实验台上对DN50的旋进旋涡流量计进行了压电传感器悬臂安装和简支安装的实验。发现在悬臂安装方式下出现了测量锁频现象，并分析了锁频产生的原因。提出通过加强传感器刚度的方法来消除测量锁频现象的传感器设计原则。
【关键词】  旋进旋涡流量计  安装方式  锁频现象

【前言】在流体测量仪表中，测量的方法是影响流星仪表测量准确度的重要因素。流体测量中传感器与流体的流固耦合作用.使传感器对流体的测量产生很大的误差.作者用实验的方法对压电式传感器各种不同的安装方式下测量进行了研究。在研究过程
中，发现在悬臂安装方式下流固耦合作用而导致的测量锁频现象.木文就这种锁频现象产生的原因作了定性的分析。并提出了通过提高传感器的刚度来消除锁频现象的方法.

一、旋进漩涡流量计原理

旋进旋涡流量计组成如图1所示。当沿着轴向流动的流体进入流量传感器入口时，旋涡发生体叶片强迫流体进行旋转运动，于是在旋涡发生体中心产生旋涡流。旋涡流在文丘里管中旋进，到达收缩段突然节流使旋涡流加速，当旋涡流进入扩散段后，因回流的作用强迫进行螺旋状进动。此时旋涡流的旋转频率和流体的流速成正比。压电式传感器检测到微弱电信号通过前置放大器等处理就可以得到我们需要的流量信号。
二、实验装置
    图2所示为气体流量计实验装置示意图，实验装置为气体流量实验系统，它由5个部分组成。

  I一梳场波动模拟装置，I用于在实验室条件下模拟流场波动;II—夹表装置，本实验台设计满足不同表体的使用，为通用的表体夹具; III—标准流量校正装置，木实验台采用音速喷嘴流量计作为校准其他仪表的基准;IV—压差产生装置，本实验台通过真空
泵产生负压，使实验台的入口和出口之间产生一个压差，形成相对稳定的空气流来作为实验流体;V-计算机测试系统，该系统用于测量传感器的输出，主要由电荷放大器和用于采样计算的美国DACTRON公司PHOTO便携式动态信号分析仪及计算机组成.      

     本实验的流量可由5个规格的音速喷嘴而得到，通过不同的组合方式可得到范围从5.5m3/h-224m3/ h之间的间断分档流量。实验的管道内径为50mm，流量计规格为DN50

旋进旋涡流量计的压电式传感器安装方式如图3、4.图3为简支安装方式；图4为悬臂安装方式。压电式传感器深入到旋涡进动流量计内部的流场中，使传感器的感应面正对着流体流动的方向，旋涡进动的频率就是通过传感器来测量的。图5和图6为实验结果比较图。

 五、试验结果分析
    通过对压电式传感器悬臂和简支安装方式的时域、频域在不同流量情况下的波形进行分析和处理，我们得到图5流量幅值关系图和图6流量频率关系图。从图5可知，两种安装方式中传感器所检测到的信号的幅值都随流量的增加而增大，幅值与流量都是近似的成正比例关系，而且流量越大，这种正比例关系也越加明显。压电式传感器悬臂安装时所检测到的信号的幅值比简支安装时所检测到的信号的幅值要稍大一些，传感器悬臂安装时所检测到的信号的幅值约是传感器简支安装所检测到的信号的幅值的1.4倍。从图6可知，压电式传感器悬臂安装时传感器所检测到的信号的频率没有随着流量的增大而增大，而是停留在1230 Hz左右，频率与流量也不是成正比例的关系。压电式传感器简支安装时传感器所检测到的信号的频率是随着流量的增大而增大，信号频率和介质流量呈现出近似的线性关系。
    对于压电式传感器，当采用悬臂安装方式的时候，传感器所检测到的旋涡进动信号的频率会产生锁频现象;当采用简支安装方式的时候，这种锁频现象就消失了。作者认为产生锁频现象的原因是:在悬臂安装方式下，集成压电式传感器伸入流场内的长度过长，而且又是一端固定在旋涡进动流量计的壳体上，使整个传感器相当于一个悬臂梁。山材料力学的理论得知，悬臂梁越长，越容易受力弯曲，而且，离固定端越远，悬臂梁的挠度就越大，就越容易产生受迫振动。当与集成压电式传感器的固有频率一致时，或传感器受到流场所作用的力到达一定限度的时候，就有可能发生激振，如果激振频率相同，就会产生锁频现象。这也就解释了为什么悬臂的信号幅值大的原因。所以，当传感器相对于固定端来说距离越远越容易受到流场作用力的干扰，也就是说，当干扰的强度相同时，远端传感器受到的影响更大，这个现象我们通过实验得到了证实。
六、结论
    传感器的安装方式对旋涡进动流量计的测量有很大影响。悬臂式传感器的安装方式由于刚度较弱使传感器固有频率较低，这样很容易与流固祸合产生的旋涡激振力的频率相同而产生传感器的共振，从而导致测量的锁频现象。为消除这种流固祸合所产生的测量锁频现象，可通过加强传感器的刚度来实现。

【编语】在这里，感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的杨军、傅新、彭杰钢，您们的辛劳与智慧，给了我们无比强大的资料来源和精神动力。再次感谢您们的投稿以及无私奉献的精神。———— 金湖联仪自控设备有限公司 范茂平


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