0 引言
利用流体振动原理设计的多种涡街和旋进流量计已被广泛应用于气体和液体计量领域。近30年的应用证明了其在稳定流体计量中的可靠性和精确性。这些流量计具有精度高、线性度好、量程宽、内部结构简单、无机械可动部件、耐脏、防卡等优点；与容积式和叶轮式流量计相比，它具有更好的介质适应性。然而，在许多潜在的应用领域中，流速的不稳定性和压力的波动导致信噪比下降，严重影响了流量计的使用效果[13]。尤其在小流量计量时，旋涡振动的频率和强度与管道本身的压力波动或机械振动的频率和强度相近，甚至前者弱于后者。因此，在压力波动干扰和机械振动干扰较大的场合，该类流量计无法准确计量小流量，尤其在靠近主管线出口的支管线上安装的流量计，往往受到邻近管道流态的干扰，甚至在无流体流过时，流量计也会错误地检测到压力波动干扰信号或机械振动干扰信号，导致!流量计零流量计数∀等缺陷。这就大大限制了流量计的使用场合。
在过去10年中，人们做了大量的工作，试图改善这种流量计的抗干扰性能。Kawano通过增强钝体硬度和使用微处理器控制的自适应低通滤波方法来改善流量的信噪比，并采用了自适应低频信号截止辨识器，使流量计的可靠性得到明显改善[4]。AmadiE研究了工作条件对旋涡脱落的影响，并采用了信号处理和系统辨识技术来提高流量计的精度[56]。国内外对于流体振动流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[7]、谱分析法、小波变换法等[8]。它们对提高抗干扰性起到了一定作用，但仍需进一步提高；针对此问题，研究了旋涡脱落诱发流体振动及旋涡进动的特性。结果表明，在流道的有限区域内，存在流体振动强度相近、频率相同、但相位差为180°的振动点，而对于压力波动或管壁振动等干扰信号，其相位差却为0°。因此，采用差动式压电传感器技术，并经特殊电路处理，成功研制了抗压力波动干扰和抗机械振动能力极强的涡街和旋进流量计。
1 流场仿真
仿真过程中，采用了先进的Gambit网格预处理软件生成流体域的非结构化网格，并利用Fluent仿真软件结果的自适应功能，依据速度和压力的计算结果，对初始网格进行精细化处理，以获得较高的流场计算精度。图1所示的是旋进式流场仿真结果。
仿真结果表明，对于旋进式流量计，流体进入流量计入口后，在旋涡发生体作用下，被强迫沿流道方向作剧烈旋转，进入节流管道，从而产生加速。旋流在扩大部分被减速，压力上升导致旋涡发生旋进运动。由于旋进运动，旋涡偏离中心轴旋转，导致旋涡体内压力分布不均匀，其中旋涡中心的压力最低。
图1 旋进式流场仿真结果
同理，对于涡街流量计，从图2所示的钝体附近的流场仿真结果可以看出，钝体尾流中的旋涡是从钝体的两侧交替脱离的，旋涡中心的压力较低并沿径向递增，旋涡的运动将在钝体的尾流中诱发流体振动。
图2 涡街流场仿真结果
涡街或旋进式的流体振动流量计在轴对称点上的流体振动波形、幅度和频率非常接近，但相位相差了180°。正是由于旋涡诱发流体振动或旋涡旋进运动的这种特性，使得利用差动传感技术提高流体振动流量计的抗干扰性能成为可能，为成功研制具有较高抗干扰能力的流体振动流量计提供了理论基础。
2 结构与分析
对于旋进流量计，在扩散段与直管段交界处的轴对称点上，存在相位差为180°的两振动点；而涡街流量计是在钝体上前方的轴对称点上存在相位差为180°的两振动点，在这位置上，流体振动强度最强。因此，只要将两传感器或差动式传感器安装在此位置上，并将输出电荷信号进行差动放大，即可得到单传感器幅度两倍的电压信号。此时输出频率与流体振动频率一致，这有利于提高流量计的下限灵敏度。但是，当无流体通过流量计时，若管道内部介质压力存在波动或机械振动，差动式传感器则采用一体化刚性连接。当流量信号与干扰信号并存时，该结构的流量传感器也可将干扰信号剔除，并对流体振动信号进行检测。差动式流量传感器结构如图3所示。
图3 差动式流量传感器结构图
差动式结构的传感器给流体振动信号和压力波动或机械振动等干扰信号提供了相位上的区别，但是放大电路必须对这两路信号进行正确处理，方可保证流量计具有最佳的抗干扰性能。放大电路原理如图4所示。
图4 放大器原理图
为保证零流量时，压电传感器或差动传感器在受压力波动或机械振动等干扰信号作用下输出同相位的信号，两压电片必须是同极性的。
通过理论与实验证实，对于流体振动信号，由差动传感器检测并经N1-1和N1-2放大后的直流波形如图5中曲线A、B所示。A、B频率一致，但相差为180°。此两路信号经N1-3比例差动放大后，即得出图5（a）中（A-B）的交流信号波形，其频率与流体振动频率一致，经施密特触发整形，即变为方波信号。该波形图是只有流量而无压力波动或机械振动时的波形。当只有压力波动或机械振动时，两传感器检测的电荷信号经放大后，输出波形如图5（b）中曲线A和B所示，其相位相同，频率和波形也基本一致；差动放大后，输出波形如图5（b）中的曲线C所示，干扰信号已基本剔除，流量计不再产生误计数。而若采用单传感器结构，图5（b）中的信号A经第二次放大后，干扰信号辐度高，频率处于流量频率范围内，从而造成流量计的误计数。
图5 信号波形图
在有压力波动或机械振动的场合，单传感器结构难以使用，但对于双传感器结构，则不受影响。同理，当有流量且同时存在有干扰信号时，两个压电传感器检测的信号分别为流体振动信号与干扰信号的叠加。此时的波形很不规则，其中任何一路波形若经直接放大输出，再经施密特整形滤波后，其波形将很不均匀；频率变化无常，且受干扰影响，流量计无法检测出正常流体振动频率信号。如果将受干扰的两路信号经差动放大后输出，两路共模干扰信号将被剔除，只将其中的流体振动信号差动放大输出，经施密特整形滤波后即可反映正常的流体振动信号。双传感器的旋进式流量传感器和差动式涡街均具有较好的抗压力波动或机械振动干扰性能，因此，保证了小流量的计量准确。
由以上分析可以看出，要使流体振动流量计具有良好的抗压力波动和机械振动干扰性能，必须在流体振动信号为反相而对压力波动等干扰为同相位的两流体振动点上，安装两个传感器或差动式传感器，再配合电路处理方可达到设计目的。对于旋进流量计，两传感器必须对称安装或基本对称安装在流体振动最强的扩大段与直管段交界的同一个横截面上，而其它安装方式（如90°安装）都达不到好的效果。就涡街流量计而言，最好在钝体上前方的轴对称点上安装差动式传感器，因为此处流体振动强度最强。
3 试验方案
为了验证差动式流体振动流量计对临近管道压力波动干扰的抵抗能力，设计了如图6所示的试验方案。
图6 试验系统结构
图6中：F#、4#分别为DN50差动式旋进流量计和涡街流量计；2#、5#分别为普通的DN50单探头旋进流量计和涡街流量计；3#、6#为DN50气体涡轮流量计。
各流量计前后直管段均满足各流量计所规定的要求。由于在流量稳定的情况下，气体涡轮流量计不受临近管道压力波动干扰的影响，因此，将它们的流量值作为参考基准。阀1控制1#~3#表中气体的流量，阀2控制4#~6#表中气体的流量，从而验证单探头与差动式流量计对压力波动干扰抵抗能力的差别，并将两者示值与涡轮流量计的示值进行比较。在做其中一路流量的试验时，将另一路流量作为压力波动干扰源，干扰源随该路流量的增大而增强。
4 结束语
以流场仿真理论与仿真结果为基础，结合实验过程，通过对流体振动流量计的传感器采用差动式的结构，并配合电路设计，有效地解决了压力波动和机械振动干扰对流体振动流量计所产生的计量误差及零流量走字的难题。新研制的差动式旋进流量计和涡街流量计已多次应用于强压力波动的场合，计量准确可靠、不再出现零流量走字和小流量出现较大计量误差等问题。对于流体振动流量计而言，采用差动式结构代替原单探头的结构是提高该类流量计抗干扰能力的有效方法。当然，若能配合相位比较电路或采用快速傅里叶算法（FFT）技术，将能使其具备更优良的性能，更好地为各行业的气体计量服务。
参考文献
[1]WolochukMC，PlesNIakMW，BraunJE.Theeffectsofturbulenceandunsteadinessonvortexsheddingfromsharpedgedbluffbodies[J].FluidsEngineering，1996，118（1）：18-25.
[2]ArmstrongBJ，BarnesFH，GrantI.Theeffectofaperturbationontheflowoverabluffcylinder[J].PhysicsofFluids，1986，29（7）：2095-2102.
[3]BlevinsRD.Theeffectofsoundonvortexsheddingfromcylinders[J].FluidMechanics，1985，161：217-237.
[4]KawanoT，MiyataT，ShikuyaN，eta.lIntelligentvortexflowmeter[C]∃ConferenceonAdvancesinInstrumentationandContro，lISAServicesInc，ResearchTrianglePk，NC，1992：997-1009.
[5]AmadiechenduJE，ZhuHengjun，HighamEH.Analysisofsignalsfromvortexflowmeters[J].FlowMeasurementandInstrumentation，1993，4（4）：225-231.
[6]AmadiechenduJE，ZhuHengjun.Signalanalysisappliedtovortexflowmeters[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasuremen，t1992，41（6）：1001-1004.
[7]SchlatterGL，BarretlWD，WaresJF，eta.lSignalprocessingmethodandapparatusforflowmeter：US，WO/1990/004230[P/OL].[1990-04-19].http：∃www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp？wo=1900004230.
[8]徐科军，汪安民.基于小波变换的涡街流量计信号处理[J].仪器仪表学报，2000，21（2）：222-224.
