一种集成管道固有频率在线测量的涡街流量计测量方法与流程

本发明涉及一种仪表参数测量，特别地，涉及一种集成工业现场管道固有频率在线测量的涡街流量计。

技术背景

工业现场，管道作为工业原料、动力等输流装备，广泛应用于石油、化工、冶金和航空航天等工业工程领域。但管道受外部动力设备的脉动压力以及内部流-固耦合等因素的影响，呈现复杂的振动形式。特别地，当激振频率与管道系统的固有频率相等或接近时，管道系统将发生共振现象，使其振动幅度急剧增大，对管道系统的安全造成极大的隐患。

另一方面，工业环境中常用涡街流量计测量流体流量，涡街流量计是一种基于卡门涡街原理的流量仪表，由于其自身结构简单、维护方便、测量精度高、压损小等诸多优点而得到了广泛的应用。卡门涡街源于流体振动，表征了旋涡脱落频率与流体流动速度的关系，因而可测得流体涡街频率。该频率正比于流体流量，但易受振动的干扰而不稳定，尤其当管道发生共振现象时，会出现涡街频率误读现象，进而严重影响涡街流量计的准确性和稳定性。因此亟需涡街流量计能够对工业现场管道的固有频率基频及其倍频自动识别，并通过相关算法，将固有频率作为测量参数写入涡街流量计，以排除共振点对流量计测量的干扰，进而提高流量计的测量精度以及抗干扰能力。另外，目前还没有一款涡街流量计具有自动识别管道固有频率、排除共振点干扰的功能。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明设计了一种固有频率在线测量方法，并将此方法集成到涡街流量计以使其实现自动识别管道固有频率、排除共振干扰的功能。技术方案如下：

一种集成管道固有频率在线测量的涡街流量计测量方法，包括以下步骤：

(1)改进涡街流量计的软件，使其具有涡街流量测量以及固有频率测量两种测量模式，利用在固有频率测量模式下实现的固有频率参数测量优化涡街流量测量的结果；

(2)在固有频率测量模式下利用施加外力的器件对安装有涡街流量计的测量管道施加外力使其振动；

(3)涡街流量计的传感器获取振动信号；

(4)对振动信号进行处理，获取固有频率基频；

(5)涡街流量计将固有频率基频及其倍频作为共振干扰点，剔除共振干扰点所对应的误读频率，测得正确的涡街频率。

1.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤(4)对振动信号进行处理，并通过施加幅值识别精度较高的布莱克曼窗函数来获取信号的频谱图，扫描该频谱图幅值最大跳跃点，其所对应的频率即是测量管道的固有频率基频。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的涡街流量计为压电式涡街流量计。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的施加外力的器件为橡胶锤。

该涡街流量计所采用的固有频率测量方法具有便捷性、快速性、可集成性的特点。所述的便捷性是指不需要冗余的、复杂的连接进行测量，所述的快速性是指整个信号捕捉、采集、处理过程在几秒内完成，所述的集成性是指该方法可集成到涡街流量计,优化流量计的测量方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的获取管道固有频率的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的集成该方法的涡街流量计软件实现流程图；

图3为本发明实施例提供的涡街流量测量系统结构图；

图4为本发明实施例提供的压电传感器布置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种压电探头传感器结构图；

图6为本发明实施例提供的基于涡街流量计的管道固有频率测量频谱图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图以及及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例针对压电式涡街流量计的测量方法进行改进。提出一种基于压电效应的固有频率在线测量方法，并将此方法集成到涡街流量计以使其实现自动识别管道固有频率、排除共振干扰的功能。此方法简单可行，即敲击一下管道，涡街流量计能自动测得其固有频率并对信号进行相关处理。

瞬态激振法因其简单便捷而广泛应用于工业现场中结构频响特性测量及模态分析，主要特点是不需要庞大的激振设备，在被测量系统上施加一个瞬态力，同时激发起该系统频带范围内所有的频率，但由于信号的瞬变性，其能量谱难以掌握。现有方法中，产生瞬态力的力锤往往带有力传感器，测量方法较为繁琐，不易实现工业现场管道固有频率的在线测量。在本发明中，瞬态激励由普通锤提供，其材质及硬度决定了其频带范围，一般来说，常见工业管道多属于低频振型，橡胶锤即可满足要求。在外力的作用下，管壁上将产生一个瞬时的脉冲波，压电传感器在管道中能够灵敏地感受到与管道接触的探头的机械形变，因此能够实现固有频率的在线测量。在涡街流量计的算法中加入测量在线测量固有频率的程序，从而可以实现自动识别管道固有频率、排除共振干扰的功能。

如图1所示，本发明提供一种集成管道固有频率在线测量的涡街流量计测量方法，步骤如下：

1)将集成该测量方法的涡街流量计，安装在口径为dn100的待测管道中；

2)给管道施加一个外力，现场工况为低频振型，因此采用橡胶锤敲击；

3)对信号进行采集，在橡胶锤锤击力的作用下，管壁上产生一个瞬时的脉冲波，基于压电效应，探头在管道振动的作用下发生形变，灵敏的压电传感器迅速捕捉、采集该脉冲信号；

4)对信号进行处理，测得固有频率，并将其写入涡街流量测量算法。

对于集成该方法的涡街流量计，其软件实现流程如图2所示，涡街流量计测量系统初始化后进行模式选择，其中，涡街流量测量模式为常规流量测量方式，固有频率测量模式先获取管道固有频率，再将其写入涡街流量测量算法，进而提高流量计测量精度。在固有频率测量模式中，采集橡胶锤对管道敲击产生的脉冲信号，对采集到的信号进行处理，处理流程如虚框所示，首先将脉冲信号放大并进行a/d转换，对信号施加布莱克曼窗函数，再经fft变换后得到其频谱图。扫描该频谱图中最大幅值跳变点，对该点进行判断，若是最大幅值则判定该点是固有频率，若否则继续扫描频谱图，直到确定固有频率为止。最后将此固有频率作为测量参数写入涡街测量程序，返回模式判别后进入涡街测量模式。涡街测量模式除加入固有频率剔除部分以达到排除共振干扰的目的外，其余与常规测量一致，不再赘述。

如图3所示，是集成该方法的涡街流量计测量系统，其特征在于：包括施加外力的器件、压电传感器、电荷放大器、ad转换器、显示屏。

所述施加外力的器件，可以是铁锤、铁棍、橡胶锤等工具，可根据工业现场管道安装环境进行方便、灵活的选择；

所述压电传感器，作为检测元件，起到迅速捕捉、采集检测信号的作用；

电荷放大器，作为一种信号适调器，可将采集的微弱电荷信号转化为放大的电压信号。为防止某些工业环境中，敲击管道信号不明显，可将采集到的电荷信号放大，方便检测信号的处理；

a/d转换器，实现将采集的时间、幅值连续的模拟信号转换为离散的数字信号的目的；

显示屏，其作用是输出显示固有频率以及涡街流量计的常规显示功能。

各部件连接关系如下：压电传感器内嵌入晶体探头舌状末端，探头放置于流量计尾端，管道、涡街流量计及固定装置连接方式与常规涡街流量计安装方式一致，不增加其他冗余连接。如图4所示，压电晶体探头与管道之间为直接接触的硬连接，管道的振动能够传递给整个的流量计探头，压电晶体探头能检测到管道的振动；根据检测要求，设计了如图5所示的压电探头结构，其优点在于能容纳多个传感器，能满足涡街流量计常规测量需求。

经有限元分析及理论计算，证得该dn100管道的固有频率是18hz，如图6所示，是集成该测量方法的流量计所测得的管道固有频率的频谱图，可以看出，其结果误差小，经反复测试，一致性好，重复性高。实验证明，该方法达到了管道固有频率在线测量的目的。集成该方法的涡街流量计能够实现自动识别工业现场固有频率、规避共振干扰的功能。

以上是结合附图对本发明进行了示例性描述，本领域的技术人员容易理解，但以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的具体实现并不受上述方式的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。