双探头涡街流量计抗振机理研究与实现

摘要

涡街流量计是一种基于卡门涡街原理的流量仪表，由于自身的诸多优点得到了广泛应用。卡门涡街源于流体振动，因此涡街流量计易受振动的干扰而影响测量精度。工业现场通常都会存在机械振动，为进一步满足工业生产的需要，本课题在研究管道振动特性的基础上提出一种双探头传感器结构，对此展开了如下工作： （1）进行管道振动的理论分析。首先，根据实际的工业生产环境分析管道振动的来源并确定管道的主要振动形式为周期振动激励下的强迫振动。然后，通过建立和求解管道振动微分方程分析了周期振动激励下管道的振动特性及其影响因素。最后，分析了管道共振的产生原因及流-固耦合对管道振动的影响。 （2）进行管道振动实验。利用三轴加速度计测量管道的振动情况，明确了管道振动的特点。对管道固有频率、气柱固有频率以及流-固耦合对管道振动的影响程度进行了实验分析，并结合现场环境给出了考虑相关因素的建议。 （3）完成双探头机械结构的设计，利用FCTVT430涡街信号处理芯片搭建了硬件处理系统并给出软件实现方法。对探头材料的抗振性能进行了实验比对，选择抗振性能更好的压电晶体作为敏感材料。 （4）对DN50的双探头涡街流量进行性能测试。在纯流量、纯振动、振动加流量三种实验条件下该流量计均表现出良好的性能，能够抵抗0.8g-20Hz及以上频率的管道振动。

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第1章 绪论

1.1 涡街流量计概述

1.2 涡街流量计原理

1.2.1 卡门涡街现象

1.2.2 涡街信号检测原理

1.3 涡街流量计现状及抗振研究

1.3.1 涡街流量计振动干扰问题

1.3.2 涡街传感器抗振研究现状

1.4 管道振动研究现状

1.5 课题提出及研究意义

1.6 课题主要研究内容和创新点

1.6.1 课题的主要研究内容

1.6.2 课题创新点

第2章 涡街测量中的管道振动理论分析

2.1 涡街测量中管道振动简介

2.1.1 管道振动的来源

2.1.2 管道振动的分类

2.2 振动影响因素分析

2.2.1 简谐激励运动微分方程

2.2.2 振动系统的频率影响因素

2.2.3 振动系统的幅值影响因素

2.3 管道共振分析

2.3.1 平面波动理论

2.3.2 气柱固有频率和共振管长

2.3.3 管道的固有频率

2.3.4 流-固耦合对管道共振的影响

2.4 本章小结

第3章 管道振动实验研究及特性分析

3.1 管道振动实验平台

3.2 管道振动传感器设计

3.3 管道振动实验

3.3.1 振动参数设定

3.3.1 纯振动情况下管道振动实验

3.3.2 流-固耦合作用下管道振动实验

3.3.4 实验管道系统的固有频率

3.3.5 气柱共振对于管道共振的影响

3.3.6 各因素对管道振动影响程度分析

3.4 本章小结

第4章 双探头抗振设计与实现

4.1 双探头结构设计及抗振原理

4.2 流量计处理芯片及最小系统

4.2.1 涡街处理芯片

4.2.2 基于FCTVT430的最小系统设计

4.3 涡街流量计软件系统

4.4 压电材料的选择

4.4.1 纯流量情况下不同压电材料的探头性能对比

4.4.2 纯振动情况下不同压电材料的探头性能对比

4.5 本章小结

第5章 双探头涡街流量计性能测试

5.1 纯流量情况下双探头涡街流量计的性能测试

5.2 纯振动情况下双探头涡街流量计的性能测试

5.3 振动+流量情况下双探头涡街流量计的性能测试

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢