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涡街流量传感器小流量测量性能研究

2020-12-07阅读(981)

涡街流量传感器小流量测量性能研究

论文摘要

涡街流量传感器是一种比较新型的速度式流量仪表,近30年发展迅速。因其具有可靠性高、压力损失小、量程比宽等优点,被广泛应用于化工、石油、冶金、轻工、食品等流程工业。对于目前工业现场常用的应力式涡街流量传感器,受其工作原理制约,在进行流量测量时易受到外界各种干扰,从而影响其测量精度及测量范围,该问题在小流量测量时尤为突出。本论文分别从数字信号处理方法、传感器结构优化——压电探头位置研究、纯硬件结构的仪表系数非线性修正几方面,对涡街流量传感器在小流量测量时的性能进行全面优化和改进。主要完成了以下工作:基于Hilbert-huang变换（HHT）的数字信号处理方法改进。通过对小流量时涡街信号进行时域和频域分析,总结有用信号、噪声的特征及形式。针对小流量时的信号特点,对HHT经典方法进行改进,使其更加适应涡街小信号去噪。通过与经典数字信号处理方法FFT的实验对比,验证了该方法在精确提取涡街有用信号、扩展测量下限方面的实用性。对目前工业中常用的应力式涡街流量传感器探头位置进行研究。分别在二维和三维涡街流场中对三种尺寸的梯形柱旋涡发生体进行实验,通过分析压力、速度信号在不同位置时的信号强度、信噪比、线性度等指标,最终分别确定了在二维、三维流场中压电探头的最佳检测位置,指出应将探头置于发生体下游涡的成熟区域,并推理出估算公式,揭示了影响该位置的因素。通过与涡街流量传感器原设计进行对比实验表明,不仅测量下限有所降低,测量精度也有提高。并借助流场数值仿真实验和理论分析对以下三个问题进行了详细讨论:二维、三维涡街流场差异;基于涡量输运方程的涡街流场研究;梯形柱与圆柱旋涡发生体流场差异。这些问题的研究与分析有助于更全面深刻地认识涡的产生、脱落机理、尾迹特征以及涡街流场的速度压力分布。提出基于CPLD的硬件式仪表系数非线性修正方法。利用三次样条插值法对小流量时超出线性度范围的仪表系数进行逼近,CPLD程序中嵌入查找表对仪表系数进行非线性修正,通过对查找表的优化,不仅节约了资源而且降低了功耗。实验证明,修正后的涡街流量计可以在保证精度的基础上有效地扩展测量范围。该方法对于存在仪表系数非线性问题的其他流量仪表也同样适用,具有良好的推广性。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 涡街流量计概述
  • 1.2 目前存在的主要问题及研究现状
  • 1.3 课题主要研究内容
  • 1.4 课题的创新点
  • 第二章 涡街流量计工作原理及信号特征分析
  • 2.1 涡街流量计工作原理
  • 2.1.1 涡街现象
  • 2.1.2 测量原理
  • 2.2 发生体上的升力
  • 2.3 涡街信号特征分析的数学基础
  • 2.3.1 功率谱密度
  • 2.3.2 概率密度函数
  • 2.3.3 高阶谱分析
  • 2.4 实流信号特征分析
  • 2.5 噪声来源及形式
  • 第三章 基于Hilbert-huang 变换的低流速涡街频率检测方法
  • 3.1 研究意义及现状
  • 3.2 HHT 原理
  • 3.2.1 经验模态分解
  • 3.2.2 Hilbert 谱分析
  • 3.3 HHT 改进方法
  • 3.4 改进算法实现
  • 3.5 实验研究与分析
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 二维流场中涡街流量传感器探头位置实验研究
  • 4.1 研究意义及现状
  • 4.2 水槽实验研究
  • 4.2.1 实验装置介绍
  • 4.2.2 实验数据分析
  • 4.2.3 水槽实验小结
  • 4.3 风洞实验研究
  • 4.3.1 实验装置介绍
  • 4.3.2 实验数据分析
  • 4.3.3 连续小波变换分析涡街流场特性
  • 4.3.4 风洞实验小结
  • 4.4 实验结果的流体力学分析
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 三维流场中涡街流量传感器探头位置实验研究
  • 5.1 研究意义及现状
  • 5.2 水流量标准装置实验研究
  • 5.2.1 实验装置及实验仪表介绍
  • 5.2.2 实验数据分析
  • 5.2.3 水流量标准装置实验小结
  • 5.3 气体流量标准装置（音速喷嘴）实验研究
  • 5.3.1 实验装置介绍
  • 5.3.2 实验数据分析
  • 5.3.3 气体流量标准装置实验小结
  • 5.4 推论
  • 5.5 推论验证实验
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 二维、三维涡街流场差异之比较
  • 6.1 研究意义及现状
  • 6.2 二维涡街流场仿真实验研究
  • 6.3 三维涡街流场仿真实验研究
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 基于涡量输运方程的涡街流场研究
  • 7.1 涡街频率沿流向和法向的频移现象
  • 7.2 基于涡量输运方程的探头位置分析
  • 7.3 探头长度对测量影响的力学分析
  • 7.3.1 尾迹三维特征研究与分析
  • 7.3.2 压电探头受力研究与分析
  • 7.4 本章小结
  • 第八章 圆柱发生体与梯形柱发生体涡街流场差异讨论
  • 8.1 研究意义与现状
  • 8.2 两发生体流场仿真实验研究
  • 8.3 两发生体Re-St 关系曲线差异分析
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 基于CPLD 的硬件式仪表系数非线性修正
  • 9.1 研究意义及现状
  • 9.2 硬件电路设计概述
  • 9.3 Q-K 曲线逼近方法研究
  • 9.4 软件总体结构
  • 9.5 查找表优化设计
  • 9.6 实验结果
  • 9.7 本章小结
  • 第十章 总结与建议
  • 10.1 总结
  • 10.2 建议
  • 参考文献
  • 发表论文和科研情况说明
  • 致谢

    • 相关论文文献

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