管道振動儀的研究與設計

 

        在流量測量領域， 特別是對基于振動檢測原理的渦街流量計，管道振動會在很大程度上影響其測量的精度 。 為了克服管道振動的影響， 國內很多專家對渦街流量計的抗振動方法進行研究，采用了頻譜分析法、雙傳感器法、頻率方法差法等方法來識別和克服管道振動信號。

 

        本文采用 ADXL335 設計了一種振動儀來測量管道振動信號，為后續渦街流量計的抗振動設計提供了便利。

 

1 振動儀總體結構

        本文設計的振動儀主要用于檢測管道振動。 該系統結構如圖 1 所示，主要包括加速度傳感器 ADXL335 、運算放大器、施密特觸發器、微處理器 MCU。

        加速度傳感器 ADXL335 緊貼測試管道，將管道振動信號轉化為電壓信號輸出。 由于在低流速時，管道振動對渦街流量計測量的影響較大， 同時為了濾除高頻噪聲和一些其它測量頻率范圍外的噪聲信號，采用帶通濾波器實現上述濾波設計。 雖然渦街流量計有一定的抗振動能力， 但是如果管道振動加速度過大會導致流量無法正常測量。 目前市場上一般的渦街流量計抗振動加速度都在 1g 以內，而加速度傳感器的輸出信號幅值與管道振動強度存在比例關系 ［ 6 ］ ，所以需要實時監測傳感器的輸出信號幅值。因此，經運算放大器放大后，信號分成兩路。一路信號由微處理器直接進行 AD 采樣將模擬信號轉化為數字信號， 計算信號幅值； 另一路信號通過施密特觸發器將正弦信號轉化為方波信號，再送給 MCU 處理并計算管道振動的頻率。

 

2 振動儀軟件設計

        幅值檢測軟件流程圖如圖 2 所示。 UP 表示前一刻信號的變化趨勢， UP＝0 表示前一刻信號處在下降沿， UP＝1 表示前一刻信號處在上升沿。 每次采集到的數據 x （ i ）都會與前一刻的數據x （ i－1 ）進行比較，如果 UP＝0 且 x （ i ） ＞x （ i－1 ），則將 x （ i－1 ）保存到好小值數組 Smin 中；如果 UP＝1 且 x （ i ） ≤x （ i－1 ），則將 x （ i－1 ）保存到好大值數組 Smax 中。 好后，通過對 N 組峰值取平均的方法來消除隨機誤差的影響。

        頻率檢測軟件流程圖如圖 3 所示。 MCU 通過定時器檢測施密特觸發器的脈沖來測量脈沖到來的時間間隔，并計算 M 個脈沖的平均周期作為管道振動的頻率。

 

3 振動幅值和振動加速度關系研究實驗

        為了研究振動幅值和管道振動加速度的關系， 采用如圖 4所示的實驗裝置進行實驗。 標準振動儀采用如圖 5 所示的?，擜R63B 便攜式高精度測振儀。 將本文設計的振動儀與標準振動儀分別固定在管道的兩側，對稱放置。 標準振動儀用來檢測管道振動的加速度和頻率， 振動儀用來輸出由管道振動引起的信號幅值和頻率。 通過 PC 將程序下載到振動儀中， 并進行實時監測。 實驗中， 通過緩慢調節鼓風機的轉速來改變管道振動的強度，總共對多個不同的頻率點進行測量。 實驗結果如圖 6 所示。

        由圖 6 可以看出， 位移傳感器輸出信號幅值與管道振動加速度成正比，由 MATLAB 擬合得到位移傳感器輸出信號幅值與管道振動加速度的數學關系為：

a＝3．334×10－3 A（ 1 ）

        其中 A 為信號幅值， a 為振動加速度。在程序中通過上述公式實現對管道振動加速度的測量。 通過本文設計的振動儀可以監測管道振動加速度， 同時可以為渦街流量計實現振動報警功能提供便利。

 

4 振動儀性能實驗驗證

        仍采用圖 4 的實驗裝置和方法對本文所設計的振動儀的管道振動頻率和振動加速度的測量性能進行驗證， 其頻率測量性能如表 1 所示。由表 1 可以看出，本文設計的振動儀與標準振動儀的頻率測量誤差在 1％ 以內。

 

        由式（ 1 ）計算得到的振動加速度與實際振動加速度之間的誤差如表 2 所示。

        表 2 中實際振動加速度為由標準振動儀測得的振動加速度，測量振動加速度為由式 (1) 計算的得到的振動加速度。 由表 2可以看出測量振動加速度與實際振動加速度的誤差在 3％ 以內。

 

5 結束語

        通過實驗驗證了采用 ADXL335 設計的振動儀可以實現對管道振動加速度和振動頻率的測量，且具有較高的精度，這為后續的渦街流量計的抗振動設計奠定了基礎。