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管道振动仪的科研与设计

来源:编辑:颁发时间:2017-07-11 10:08:23

 摘要:涡街流量计是一种基于振动检测原理的流量计,其测量会受到管道振动的影响。 若管道振动加速度超过一定值,会导致涡街流量计无法实现正常测量。 采用 ADXL335 设计了一种振动仪专门用于测量管道振动频率和振动加速度。 经实验验证,该振动仪能有用地测量管道振动,且具有较高的测量精度。 经过该设计,不仅可以捕捉管道的振动频率,同时又能监视检测振动加速度,为涡街流量计的振动报警提供必要的信息,这为延续涡街流量计的抗振动设计奠定了基础。

 
        在流量测量领域, 特别是对基于振动检测原理的涡街流量计,管道振动会在很大程度上影响其测量的精度 。 为了克服管道振动的影响, 国内很多专家对涡街流量计的抗振动方法实行科研,采用了频谱剖析法、双传感器法、频率方法差法等方法来识别和克服管道振动信号。
 
        本文采用 ADXL335 设计了一种振动仪来测量管道振动信号,为延续涡街流量计的抗振动设计提供了便利。
 
1 振动仪总体结构
        本文设计的振动仪首要用于检测管道振动。 该系统结构如图 1 所示,首要包括加速度传感器 ADXL335 、运算放大器、施密特触发器、微处置器 MCU。
振动仪系统结构框图
        加速度传感器 ADXL335 紧贴测试管道,将管道振动信号转化为电压信号输出。 由于在低流速时,管道振动对涡街流量计测量的影响较大, 同时为了滤除高频噪声和一些其它测量频率范围外的噪声信号,采用带通滤波器实现上述滤波设计。 虽然涡街流量计有一定的抗振动能力, 但是如果管道振动加速度过全体会议导致流量无法正常测量。 此刻市场上一般的涡街流量计抗振动加速度都在 1g 以内,而加速度传感器的输出信号幅值与管道振动强度存在比例关系 [ 6 ] ,所以需要实时监视检测传感器的输出信号幅值。因此,经运算放大器放大后,信号分成两路。一路信号由微处置器直接实行 AD 采样将模拟信号转化为数字信号, 计算信号幅值; 另一路信号经过施密特触发器将正弦信号转化为方波信号,再送给 MCU 处置并计算管道振动的频率。
 
2 振动仪App设计
        幅值检测App流程图如图 2 所示。 UP 暗示前一刻信号的变化趋势, UP=0 暗示前一刻信号处在下降沿, UP=1 暗示前一刻信号处在上升沿。 每次采集到的数据 x ( i )都会与前一刻的数据x ( i-1 )实行比较,如果 UP=0 且 x ( i ) >x ( i-1 ),则将 x ( i-1 )保存到最小值数组 Smin 中;如果 UP=1 且 x ( i ) ≤x ( i-1 ),则将 x ( i-1 )保存到最大值数组 Smax 中。 最后,经过对 N 组峰值取平均的方法来消除随机误差的影响。
幅值检测App和频率检测App流程图
        频率检测App流程图如图 3 所示。 MCU 经过按时器检测施密特触发器的脉冲来测量脉冲到来的时间间隔,并计算 M 个脉冲的平均周期作为管道振动的频率。
 
3 振动幅值和振动加速度关系科研实验
        为了科研振动幅值和管道振动加速度的关系, 采用如图 4所示的实验装置实行实验。 准则振动仪采用如图 5 所示的希玛AR63B 便携式高精度测振仪。 将本文设计的振动仪与准则振动仪分别固定在管道的两侧,对称放置。 准则振动仪用来检测管道振动的加速度和频率, 振动仪用来输出由管道振动引起的信号幅值和频率。 经过 PC 将程序下载到振动仪中, 并实行实时监视检测。 实验中, 经过缓慢调节鼓风机的转速来改变管道振动的强度,总共对多个不同的频率点实行测量。 实验结果如图 6 所示。
实验装置和准则振动仪
位移传感器输出信号幅值与管道振动加速度关系
        由图 6 可以看出, 位移传感器输出信号幅值与管道振动加速度成正比,由 MATLAB 拟合得到位移传感器输出信号幅值与管道振动加速度的数学关系为:
a=3.334×10-3 A( 1 )
        其中 A 为信号幅值, a 为振动加速度。在程序中经过上述公式实现对管道振动加速度的测量。 经过本文设计的振动仪可以监视检测管道振动加速度, 同时可以为涡街流量计实现振动报警功能提供便利。
 
4 振动仪性能实验验证
        仍采用图 4 的实验装置和方法对本文所设计的振动仪的管道振动频率和振动加速度的测量性能实行验证, 其频率测量性能如表 1 所示。由表 1 可以看出,本文设计的振动仪与准则振动仪的频率测量误差在 1% 以内。
 
        由式( 1 )计算得到的振动加速度与实际振动加速度之间的误差如表 2 所示。
振动仪频率测试对照表管道振动加速度测量误差表
        表 2 中实际振动加速度为由准则振动仪测得的振动加速度,测量振动加速度为由式 (1) 计算的得到的振动加速度。 由表 2可以看出测量振动加速度与实际振动加速度的误差在 3% 以内。
 
5 结束语
        经过实验验证了采用 ADXL335 设计的振动仪可以实现对管道振动加速度和振动频率的测量,且具有较高的精度,这为延续的涡街流量计的抗振动设计奠定了基础。
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