涡街流量传感器压电探头位置试验研究郑丹丹,张涛(天津大学电气与自动化工程学院,天津市过程检测与控制重点实验室,天津300072)摘要:以往对涡街流量传感器的研究主要集中在旋涡发生体形状设计、信号检测方式以及信号处理方法上,而对压电探头位置的研究未见报道。本文首先通过在水槽、风洞中试验,揭示了压电探头位置与涡街信号频率、幅值存在着密切联系,不同宽度的旋涡发生体,最强信号出现的位置也不同。在此基础上,研究管道中涡街流量传感器压电探头在不同位置时的信号变化规律,分析解释了二维、三维涡街流场的差异,最终确定了涡街流量传感器中压电探头的最佳位置应在距发生体尾部等于发生体宽度处。通过在DN100和DN50水、气流量标准装置上的试验,验证了此结论的正确性,传感器的线性度和重复性均有所改善。关键词:计量学;涡街流量传感器;压电探头;信号强度;数值仿真:TB937文献标识码:A:100021158(2008)0520427207AnExperimentalStudyofPositionofPiezoelectricProbeinVortexFlowSensorZHENGDan2dan,ZHANGTao(Tian激nKeyLaboratoryofProcessMeasurementandControl,SchoolofElectricalEnAbstract:Thedesignofbluffbody,signaldetectionandprocessingmethodsofvortexflowsensorshavebeendiscussedbymanyresearchers1Thepositionofpiezoelectricpressureprobeinvortexflowsensorisseldominvestigated1Experimentsarefirstlycarriedoutinawaterchannelandawindtunnel1Itisfoundthattheamplitudeandfrequencyofvortexsignalsarecloselyrelatedtolocationsoftheprobe,andpositionsofmostintensivesignalsaredifferenttobluffbodieswithvariouswidth1Furthermore,experimentsarecarriedoutinapipetoanalyzetheregularityofvortexsignals1Thedifferencesbetweentwo-dimensionalandthree-dimensionalvortexflowfieldsarecomparedandexplainedbynumericalsimulations1Finally,theoptimumdetectingpositioninvortexflowsensorisdetermined:theoptimumdistancebetweenbluffbodyandprobeisequaltothewidthofbluffbody1Inordertoprovetheconclusion,calibrationtestsaremadeonwaterandairstandardflowequipmentswithDN100andDN50vortexflowsensorsrespectively1Thelinearityandrepeatabilityofvortexflowsensorarebothimproved1Keywords:Metrology;Vortexflowsensor;Piezoelectricprobe;Signalintensity;Numericalsimulation出现了梯形柱、T型柱等单旋涡发生体1,2,还有不同形31引言状组合的双钝体,钝体间距也成为研究的关键;(2)旋涡检测方式研究。要求保证检测灵敏度高、抗干扰性好。根据涡街形成和分离过程中出现的物理现象及规律,研究出热敏、超声、电容、应变、应力式等检测涡街信号的方法4,5;(3)信号处理方法研究。通过软件上的处理来补偿硬件上检测出的非理想涡街信号。一些数字信号处理方法应运而生6,7,如快速傅里叶变换、小涡街流量传感器近三十年才迅速发展,因此对它的研究仍在继续,在保证计量精度的基础上努力扩展测量下限以及提高抗干扰性。学者们从各个角度对其进行了深入研究:(1)旋涡发生体形状研究。要求流体经过旋涡发生体时可以产生稳定且强烈的旋涡,先后收稿日期:2008205216基金项目:国家863计划项目(2007AA04Z180);天津大学优秀博士学位论文基金(0505111303)作者简介:郑丹丹(1981-),女,天津市人,天津大学博士研究生,主要从事涡街流量传感器优化及信号处理研究。428计量学报2008年11月波分析、自适应滤波等都有效地滤除了干扰信号,不仅可精确地检测出流量而且扩展了测量下限。可见,要想提高涡街流量传感器的测量品质,需要对各个环节分析研究,如果每一个环节都能达到最优,那么设计出的传感器就能达到全局最优。因此,涡街流量传感器设计成为研究的另一个重点。工业现场常用的涡街传感器采用梯形柱旋涡发生体、压电应力式检测方法,其结构尺寸都有经验值,大部分涡街传感器中旋涡发生体与压电探头相互分离。从试验中发现,对这种分离型压电式涡街流量传感器,压电探头位置对涡街信号的检测有很大影响,如果将探头放置在旋涡较强的位置,涡街传感器的测量下限还会降低。所以,旋涡检测位置与检...