光纤式涡街流量测量技术的研究

【摘要】：卡门涡街独有的流体振荡特性，使涡街流量计成为流量测量仪表家族中不可缺少的一员。涡街流量计是根据流体振动频率与流速有对应关系的原理来工作的。涡街流量计因具有量程范围较宽、精确度较高、无可动部件、结构简单等特点而受到青睐。光纤涡街流量测量系统充分发挥了光纤的抗电磁干扰特性和涡街流量计的高精度特性，更适合测量易燃易爆气体。但是，工业生产中流体种类繁多、工作条件复杂，虽然已经有很多种流体参数测量的方法和仪表，但是仍然存在很多实际问题急待解决。 本研究旨在设计出一种新型的光纤涡街流量测量系统，适用于易燃易爆的流体的流量检测，并能达到一定的测量精度要求。文章首先结合光纤涡街流量测量的特点和光纤光栅涡街流量计的原理，阐述了光纤涡街流量测量系统的基本原理；分析了涡街信号的特性并对涡街信号的主要待测特征量进行了测算，然后建立了定常条件下紊流状态的数学模型。该数学模型的建立对后面的数字信号处理方法的选择起到了指导性的作用。其次对光纤涡街流量测量系统进行了全面的结构设计，包括探头设计、信号处理电路的设计等，并提出了系统的优化方案。 本文主要进行了以下几个方面的工作： 1.光纤作为敏感元件，应用于涡街流量测量中。本文从晶体物理学、流体力学以及波动光学等角度分别分析了流体对光纤的作用以及光波导光强损耗的机理。通过对流场的流体力学分析以及涡街信号特点的分析，阐述了光纤涡街流量测量系统的原理，并且建立了定常条件下紊流状态的光纤涡街流量信号数学模型。该数学模型的建立为后面的光纤探头设计、信号处理方法的选择上起到了指导性作用。 2.对涡街流量的待测频率范围和光电转换后的电信号交流成分的幅值进行了测算，分析了光纤受力的安全性，确保在流量过大、流体冲击力过强的情况下，光纤不会发生断裂。 3.对光纤涡街流量测量系统进行了整体的设计。主要包括壳体结构的设计、光纤的选择、光电接收系统和光源的选择、光纤探头固定的位置以及后续处理电路等方面。分析了不同涡街发生体在涡街场中的特性，设计出了性能较好的梯形锐角弧状涡街发生体。提出了以DSP为数据处理中心，以单片机为控制中心的双处理器运算系统，并在结构方面提出了系统的优化方案。 4.在分析了涡街信号组成的基础上，采用谱分析、自适应滤波以及小波分析等方法对采集到的涡街信号进行处理，主要针对低频率信号的去噪工作展开。同时在谱分析的基础上，对多种离散频谱校正方法的基本原理进行了数学推导，并对各种算法的特点及其在涡街流量检测技术中的适用条件进行了讨论，并根据涡街信号的特点，确定了具体的频率校正算法。对实验室采集到的数据进行了分析处理，证明了研制系统的可行性和准确性。