1 引言
旋进旋涡流量计是一种新型的流体振动流量计。其主要特点是无活动部件，对测量介质的适应性广，线性测量范围宽，可应用于气体、液体和蒸汽的计量。但旋进旋涡的强度较弱，当待测系统附近有振动或噪声源，或流体内部波动或管壁振动时，其计量精度就会受到明显的影响[1~4]。对待测流体及其环境条件的苛刻要求，极大地限制了其工业应用。为此，人们从不同角度进行了研究，归纳起来，主要是从两条途径进行研究：
（1）针对流体振动型流量计目前采用的放大、滤波、整形和计数的方法，不能从含有管道的机械振动和流场的不稳定等噪声信号中准确提取频率信息，以至于流量计现场的测量精度达不到指标规定的要求。人们提出采用数字信号处理方法处理流量传感器的信号，其主要包括：基于FFT（快速傅立叶变换）的周期图法[5]，自适应陷波滤波方法[6]，互相关方法[7]，数字跟踪滤波方法[8~11]和小波变换方法[12]。虽然上述方法对解决测量现场外界干扰引起的传感器输出信号中波形畸变而导致的传统二次仪表计数误差是有效的，但没有考虑到由于流体脉动干扰引起的主频移动现象的影响。
（2）针对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应脉动压力的相差现象，人们提出利用对称信号差分处理来解决旋进旋涡流量计抗干扰问题。1991年Hein Richs做了用集成差分传感器降低旋进旋涡流量计量程下限的实验研究[13]；2000年傅新等人用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究，进而提出对称信号差分处理抗干扰的思路[14]。但简单的轴对称信号差分处理只能解决相位和幅值都相同的共模噪声对传感器输出信号波形的影响；并且由于其对安装工艺和传感器的极其严格的对称要求，使该方法在工业上的使用受到极大限制。
本文就流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响进行了实验研究。明确了流体脉动干扰压力与旋进旋涡效应的脉动压力的线性迭加关系以及流场脉动干扰使旋进旋涡流量计传感器输出产生主频移动现象；并且对旋进旋涡有效信号和脉动干扰信号进行相位分析，得出对称轴线旋进旋涡有效信号具有接近18O゜相位差，而流体脉动干扰信号接近O゜相位差的结论。分析了现在采用的数字信号频率提取和对称差分信号处理的缺点，在此基础上提出基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法，并给出仿真结果。
2 旋进旋涡流量计的原理[1~4]
旋进旋涡流量计是通过测量流体的旋进旋涡效应脉动压力频率来得到流体体积的流量计。图1为旋进旋涡流量计的原理图。
流体经过固定旋涡发生叶片产生一个旋转运动，附加一个切向的速度到轴向运动的流体，这样就产生了连续的旋涡系列而构成一个旋涡流，称之为“涡势”，其中心为旋涡核（旋涡中心流），外围为环流，其流经变送器收缩段时涡流加速，此时，涡核直径沿流动方向逐渐缩小，旋涡强度逐渐加强，达到扩大段时，由于旋涡急剧减速，压力上升，旋涡中心区的压力比周围低，于是就产生了回流。在回流的作用下，旋涡流偏离原前进方向，迫使涡核在扩大段作一种类似陀螺的运动，旋涡流的进动是贴近扩大段的壁面进行的。由于旋进旋涡频率与流体的流速成正比，因此，测得旋进旋涡频率即能反映出流速和体积流量的大小。
3 流场脉动干扰对旋进旋涡流量计测量影响实验研究
3.1 实验测试系统
图2所示为实验装置及测试系统原理图。实验装置为气体流量实验系统，它由5个部分组成。Ⅰ— 流场干扰模拟装置，用于在实验室条件下模拟流场波动；Ⅱ— 实验表体；Ⅲ— 标准流量校准装置，采用临界流文丘利喷嘴流量计作为校准其它仪表的基准；Ⅳ— 压差产生装置，通过真空泵产生负压，入口和出口之间产生一个压差，形成小型风洞；Ⅴ— 计算机测试系统，用于测量传感器的输出，主要由电荷放大器及用于采样计算的美国DACTRON 公司Photo便携式动态信号分析仪（该分析仪的主要特性和性能指标：4个输入通道，1个输出通道；120MHz TMS320VC33DSP，21kHz处理率；32位浮点DSP；ICP传感器供电；USB接口，支持热插拔；重量小于200g，抗振动外壳）和计算机所组成。
3.2 实验条件
实验传感器采用上海测试技术研究院生产的直径7mm压电式压力传感器，其固有频率响应可达几十kHz。实验节流时间大于15s。实验的体积流量范围可从5.5~220.5m3/h（对应雷诺数Re=2595~1.0404×105）间断分布。实验的管道内径50mm。为得到充分发展的湍流，实验段的入口直管道长度为800mm（>10d），在无周期扰动并无旋进旋涡的状态下的流动状态是充分发展的湍流。
3.3 实验结果及讨论
为研究流场脉动对旋进旋涡流量计测量的影响，分别对脉动流在直管道中的传播特性及脉动流场中旋进旋涡流量计测量特性进行实验研究。
3.3.1 脉动流管道传播特性实验
图3为脉动流管道传播实验示意图。对称于轴线安装两个传感器，以便于了解对称于轴线两侧的流体脉动流特性。
图4，图5是典型的同一扰动频率下不同流量脉动流管道传播特性曲线（图中Q是流量，fd是流场干扰模拟装置扰动频率）。脉动流管道传播基本特性与扰动频率无关。
从实验结果可以得出以下结论：
（1）在相同扰动频率下，不同流量的流体压力脉动是不相同的，但其频域主频是相同的，幅值随流量的增加而增大。在同一流量下，对称轴线两侧的压力脉动的相差接近于零，而且波动的强度相近。
（2）管道的压力脉动频率和扰动的频率是不一样的，管道流压力脉动频率高于扰动频率。这是由于流体压力的扰动和管道耦合作用所产生流体波动的频率高于扰动的频率。
3.3.2 旋进旋涡流量计均匀流、脉动流实验
图6为旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量示意图，对称于轴线安装两个传感器，以便于了解对称于轴线两侧的旋进旋涡特性。
图7，图8是典型旋进旋涡流量计均匀流、脉动流测量实验结果。图9是不同干扰频率下旋进旋涡流量计旋进旋涡压力脉动主频与流量的校准曲线。图10是脉动流测量相对误差曲线，这里定义频率相对误差δ=（FQfd- FQe）/FQu；其中FQfd是流量Q下扰动频率为fd时的旋进旋涡频率，FQo为流量Q下均匀流中旋进旋涡频率。
从上面的实验结果可以看出：
流体脉动干扰会使旋进旋涡流量计脉动流的测量发生移频现象，这一现象主要出现在流量比较小的情况下。频率移动的程度随扰动频率的提高而增强，最大的偏差可达500%左右。故在此种情况下通过数字信号处理提取频率信号将失效，无法得到正确的流量。移频现象所对应的频率是流体脉动干扰所产生的压力脉动频率。
有脉动干扰时旋进旋涡流量计两侧信号在50Hz处有严重的不对称现象，而无扰动情况下两侧信号没有这样的现象。对50Hz的干扰进行相位分析，其两侧的相位差是接近于0゜。两者实验条件的差别是脉动模拟装置的使用与否而且干扰相位特征是两侧50Hz干扰相差为0。这样可以确定50Hz干扰的来源是交流电的工频干扰。其两侧的不对称现象是由于电器与测试系统之间的不对称布置带来的。
通过对有脉动干扰两侧信号的差分处理可以得到波动频率与旋进旋涡频率一样的波动，但会将不对称的电磁干扰带到差分处理后的信号之中。这样造成使用差分信号处理来消除流体脉动干扰变得十分困难。在工业应用领域要使电磁干扰严格对称几乎是不可能的。
通过差分处理可以消除流体脉动干扰可以这样解释：流体脉动干扰是线性叠加在旋进旋涡效应之上的，从实验中我们知道流体脉动干扰在对称轴线两侧是对称的，可以通过差分消除。但旋进旋涡效应在轴对称两侧有18O゜相位差，轴对称两侧信号差分后得到波动频率与进动频率相同、幅值得到加强的信号。
4 基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法
前面的实验表明现行的信号处理方法不能满意解决流体脉动干扰对旋进旋涡流量计的影响。为解决上述问题，我们提出基于FFT相位判别的方法来解决旋进旋涡流量计抗流场脉动问题。
4.1 基于FFT的相位判别理论
当采样频率满足香农（Shannon）采样定理，且实现整周期采样时，通过谐波分析和FFT算法进行分析，可以求出各次谐波的幅值、相位，然后复现成原始的波形。有：
f（t）=∑Amsin（mωt+φm）
式中：ω是信号的角频率，周期T=2π/ω，m为谐波次数，Am为m次谐波信号的幅值。φm为m次谐波信号的初相位。
设在[T0，T0+T]之间等间隔采样N次，则有：
只要满足香农采样定理和整周期采样，那么
式中：K=2πfN ，其中fN为采样频率[15]。
4.2 基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰原理
从前面实验知道脉动流场中旋进旋涡流量计的响应有以下特点：旋进旋涡的有效信号在对称轴线两侧具有接近180゜相位差，流体脉动干扰和电磁干扰都具有接近0゜的相位差，而脉动流场中旋进旋涡流量计的响应是流体脉动干扰和旋进旋涡效应两者线性叠加的结果。这样，可以从轴对称布置传感器中通过提取具有18O゜相位差的主频的方法得到真实的旋进旋涡的频率来消除流体脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计影响。图11是基于FFT相位判别旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰的算法原理框图。
4.3 仿真结果及讨论
为检验该方法的实际效果，对流量22.1m3/h，36.7m3/h， 66.6m3/h，103.3m3/h，111.7m3/h，148.4m3/h，178.3m3/h，200.4m3/h，215m3/h；扰动频率0Hz，68Hz，136Hz，182Hz，227Hz，295Hz的脉动流旋进旋涡测量实验数据进行仿真。仿真条件是：采样步长Δt=4.16667E-5s，采样数n=1024。
表1 基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰原理仿真结果
QF22.1m3h-136.7m3h-166.6m3h-1103.3m3h-1111.7m3h-1148.4m3h-1178.3m3h-1200.4m3h-1215m3h-1f0（无扰动）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.8740668（Hz）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.87406136（Hz）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.87406182（Hz）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.87406227（Hz）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.87406295（Hz）126.78654210.93733374.99970585.93703632.81199820.31184984.374211101.561621171.87406
（Q—流量m3/h，f—模拟装置扰动频率Hz，F—仿真提取频率Hz）
表1为频率提取仿真结果，从表1的结果可以知道，使用该方法提取的旋进旋涡有效频率不受扰动频率的影响。完全消除了流体脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计的影响。
5 结束语
本文是实验室阶段性的结果，使用实验方法找到了脉动流场的压力脉动与旋进旋涡效应的线性关系以及脉动流场中旋进旋涡流量计主频移动现象，提出基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流场脉动干扰方法。该方法的特点是：利用旋进旋涡效应相位特征提取有效旋进旋涡频率并能十分有效的消除流场脉动和不对称电磁干扰对旋进旋涡流量计的影响。
对于该方法还需进一步研究的问题有：
（1）从理论上讲，管道振动在轴对称处不具有180゜相位差，故该方法对管道振动也能有效消除。但需要进一步实验证明。
（2）该方法可以应用到各种利用数字信号处理提取旋进旋涡频率信号的旋进旋涡流量计二次仪表中，其软硬件最优实现需要进一步研究。
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