涡街流量计及其流量检测方法与流程

1.本发明涉及流量计量技术领域，特别涉及一种涡街流量计及其流量检测方法。


背景技术：

2.流量的测量在化工、油品销售和环保检测等领域发挥着重要作用，这些领域经常涉及到小口径管道内的流速测量，如加油站的油气回收流量监测。应用于加油机内部的流量计因安装空间狭小，对流量计的体积有一定的要求，然而，现有技术中，各类型流量计的体积均较大，缺乏小口径的流量计。另外，油气测量过程中，气体中可能含有固体颗粒杂质，油气也极易凝析为液体，在口径较小的情况下可能造成气路堵塞，阻力增大。而且油气测量过程中会面临到油气组分不稳定，油气的密度和比热等参数在不同的环境下有一定差别的问题。因此，在此种应用条件下选用流量计需具备以下几个特点：一是适用于小口径测量；二是气阻小，无堵塞风险；三是对密度和比热等参数不敏感。
3.现有的各类流量计在小口径油气流量检测领域还存在较大的问题，例如：体积式流量计易堵塞、占用空间大，对安装条件和应用环境要求较高；热式流量计易受冷凝油液影响，且在浓度发生变化时无法精确测量体积流量等。
4.涡街流量计作为一种常用流量计，其特点是压力损失小、量程范围大、精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，无可动机械零件，因此可靠性高、维护量小。因此，涡街流量计是油气测量的理想仪表，然而，涡街流量计的缺点在于易受振动干扰，恰好油气回收过程中真空泵等设备会给串联在同一管路上的涡街流量计带来一定的振动影响。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于，提供一种涡街流量计及其流量检测方法，从而满足小口径测量要求，减少振动的影响，使得测量结果更加准确。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种涡街流量计，其包括：加速度传感器，其分别感应x轴、y轴和z轴的流量信号，其中y轴为涡街信号方向，x轴和z轴为振动信号方向；以及信号处理单元，其用于对x轴、y轴和z轴的流量信号进行频谱分析，根据频谱分析的结果确定振动信号频率，并且通过数字滤波滤除y轴的流量信号中振动信号频率的信号。
8.进一步，上述技术方案中，频谱分析为通过快速傅里叶变换得到x轴、y轴和z轴的功率谱，振动信号频率为x轴的功率谱中幅值最大的点和z轴的功率谱中幅值最大的点所对应的频率，通过数字滤波将y轴的功率谱中的振动信号频率滤除，得到涡街信号频率。
9.进一步，上述技术方案中，涡街流量计还包括：气体流道，其与待检测的管道相适配连接，加速度传感器位于气体流道的中心轴线上；旋涡发生体，其设置在气体流道内；以
及外壳，其用于容纳信号处理单元。
10.进一步，上述技术方案中，旋涡发生体的截面为梯形或三角形。
11.进一步，上述技术方案中，加速度传感器与旋涡发生体的距离为1.2d～2.0d，其中d为旋涡发生体的截流面的宽度。
12.进一步，上述技术方案中，涡街流量计还包括：金属屏蔽壳，其设置在信号处理单元的上方。
13.进一步，上述技术方案中，外壳设有顶盖。
14.进一步，上述技术方案中，加速度传感器通过安装梁与外壳相连接。
15.进一步，上述技术方案中，安装梁由陶瓷材料制成；安装梁为悬臂梁；安装梁与气体流道之间设有密封件。
16.进一步，上述技术方案中，气体流道、旋涡发生体和外壳为一体注塑制造；气体流道、旋涡发生体和外壳的材料为工程塑料。
17.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种利用如上述技术方案中任意一项的涡街流量计的流量检测方法，流量检测方法至少包括如下步骤：采集x轴、y轴和z轴的流量信号，其中y轴为涡街信号方向，x轴和z轴为振动信号方向；将所采集的x轴、y轴和z轴的流量信号进行频谱分析；根据频谱分析的结果确定振动信号频率；以及采用数字滤波滤除y轴的流量信号中振动信号频率的信号，获得涡街流量信号。
18.进一步，上述技术方案中，根据频谱分析的结果确定振动信号频率的步骤为通过快速傅里叶变换得到x轴、y轴和z轴的功率谱，x轴的功率谱中幅值最大的点和z轴的功率谱中幅值最大的点所对应的频率确定为振动信号频率。
19.进一步，上述技术方案中，流量检测方法还包括步骤：将x轴、y轴和z轴的流量信号转换为数字信号。
20.进一步，上述技术方案中，流量检测方法还包括步骤：将x轴、y轴和z轴的流量信号转换为电压信号。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.1.本发明适用于小口径流量检测，并且通过频谱分析和数字滤波相结合的方式，滤除振动信号的影响，测量结果更加精确，提高了涡街流量计的抗振性能。
23.2.本发明的涡街流量计能够满足油气回收领域的气体流量检测要求。
24.3.本发明的涡街流量计体积小巧，重量轻，可直接安装在油气回收铜管上，无需其他固定措施。罗茨流量计是目前加油站油气回收检测三项测试仪中常用的气体流量计，具有计量准确，不受压力温度变化影响的优点，但其体积大重量大，很多应用场景(如加油机等)没有足够安装空间，不适宜安装在内部进行油气流量监测。
25.4.金属屏蔽壳能够减少电磁干扰，使得检测结果更准确。
26.上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
27.图1是根据本发明的一实施方式的涡街流量计的结构示意图。
28.主要附图标记说明：
29.10-气体流道，11-管螺纹，20-旋涡发生体，30-外壳，31-顶盖，40-加速度传感器，41-安装梁，411-橡胶圈，50-信号处理单元，60-金属屏蔽壳。
具体实施方式
30.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
31.除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
32.在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
33.在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
34.如图1所示，根据本发明具体实施方式的涡街流量计，其加速度传感器40能够分别感应x轴、y轴和z轴的流量信号，其中y轴(待测流体流动方向)为涡街信号方向，x轴和z轴为振动信号方向。涡街流量计的信号处理单元50用于对x轴、y轴和z轴的流量信号进行频谱分析，根据频谱分析的结果确定振动信号频率，并且通过数字滤波滤除y轴的流量信号中振动信号频率的信号。
35.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，信号处理单元50可以为印制电路板(pcb)。信号处理单元50可以包括稳压模块、滤波模块、ad转换模块和数据处理模块等功能模块。示例性地，信号处理单元50可以通过稳压模块对加速度传感器40供电；滤波模块可以滤除加速度传感器40检测到的x轴、y轴和z轴的流量信号中的杂波；ad转换模块将x轴、y轴和z轴的流量信号转换为数字信号；数据处理模块对x轴、y轴和z轴的数字信号进行频谱分析确定振动信号的频率，并将y轴中该频率的信号通过数字滤波的方式消除，因此y轴信号中可以保留涡街信号，同时滤除振动信号。示例性地，数据处理模块通过快速傅里叶变换进行频谱分析，得到x轴、y轴和z轴的功率谱，通过x轴和z轴的功率谱幅值最大的点得到振动信号频率f
x
和f
z
；通过数字滤波将y轴的功率谱中振动信号频率f
x
和f
z
滤除，得到滤除振动信号的y轴的功率谱；通过滤除振动信号的y轴的功率谱的幅值最大的点得到涡街信号频率f
y
。
36.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，涡街流量计还包括：气体流道10、旋涡发生体20和外壳30。气体流道10与待检测的管道相适配连接。例如，可以通过气体流道10两端的管螺纹11与适配的接头或管道直接连接，本发明并不以此为限。优选而非
限制性地，加速度传感器40位于气体流道10的中心轴线上。旋涡发生体20设置在气体流道10内，旋涡发生体20为柱状结构，其垂直于气体流道10的轴向设置。外壳30设置在气体流道10上，用于容纳信号处理单元50。
37.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，旋涡发生体20的横截面为梯形。梯形的斯特罗哈数比三角形更高，产生的涡街信号频率更高更稳定，易于检测。虽然梯形压损相对于三角形更大一些，但是本发明的涡街流量计主要是用于气体测量，本身压损就比较小，因此旋涡发生体20的横截面优选为梯形。应了解的是，本发明并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际需要来选择合适的横截面形状，例如三角形。
38.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，加速度传感器40与旋涡发生体20的距离为1.2d～2.0d，其中d为旋涡发生体20的截流面的宽度。例如，当旋涡发生体20的横截面为梯形时，截流面的宽度为梯形的底边边长。
39.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，涡街流量计还包括金属屏蔽壳60，金属屏蔽壳60设置在信号处理单元50的上方，以减少电磁干扰。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，外壳30可以设有顶盖31，以保护外壳30中的各个结构。
40.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，加速度传感器40通过安装梁41与外壳30相连接。示例性地，安装梁41由陶瓷材料制成。安装梁41为悬臂梁，一端固定在外壳30上，自由端安装加速度传感器40并插入气体流道10中。安装梁41与气体流道10之间设有密封件，例如，橡胶圈411。
41.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，气体流道10、旋涡发生体20和外壳30为一体注塑制造，本发明并不以此为限。一体注塑制造可以减少装配工作量，并且无需密封件也能够避免内部渗漏。气体流道10、旋涡发生体20和外壳30的材料采用耐高温耐腐蚀的工程塑料，本发明并不以此为限。示例性地，工程塑料可以为pps(聚苯硫醚)，可替代地，还可以为聚芳砜或聚芳酯等，本发明并不以此为限。
42.根据本发明的一个或多个具体实施方式的利用如上述技术方案中任意一项的涡街流量计的流量检测方法，该流量检测方法至少包括如下步骤：采集x轴、y轴和z轴的流量信号，其中y轴为涡街信号方向，x轴和z轴为振动信号方向；将所采集的x轴、y轴和z轴的流量信号进行频谱分析；根据频谱分析的结果确定振动信号频率；以及采用数字滤波滤除y轴的流量信号中振动信号频率的信号，获得涡街流量信号。
43.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，根据频谱分析的结果确定振动信号频率的步骤为通过快速傅里叶变换得到x轴、y轴和z轴的功率谱，x轴的功率谱中幅值最大的点和z轴的功率谱中幅值最大的点所对应的频率确定为所述振动信号频率。
44.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，流量检测方法还包括步骤：将x轴、y轴和z轴的流量信号转换为数字信号。
45.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，流量检测方法还包括步骤：将x轴、y轴和z轴的流量信号转换为电压信号。
46.参考图1所示，本发明的涡街流量计的工作原理如下：涡街流量计安装在现场设备进行计量时，现场设备本身会因电机和泵等装置的工作产生一定的振动，待测气体流经旋涡发生体20后产生涡街，加速度传感器40的y轴(涡街信号方向)感应到涡街并产生相应的电荷信号，x轴(振动信号方向)和z轴(振动信号方向)检测到设备本身的振动也产生电荷信
号，三轴的电荷信号均输入信号处理单元50。电荷信号可以经放大器转换为电压信号，然后经过滤波模块滤除杂波，经过ad转换模块处理成为数字信号。对x轴、y轴和z轴的数字信号采用快速傅里叶变换进行频谱分析，得到x轴、y轴和z轴的功率谱，通过x轴和z轴的功率谱幅值最大的点得到振动信号频率f
x
和f
z
；通过数字滤波将y轴的功率谱中振动信号频率f
x
和f
z
滤除，得到滤除振动信号的y轴的功率谱；通过滤除振动信号的y轴的功率谱的幅值最大的点得到涡街信号频率f
y
。因此y轴信号中可以保留涡街信号，同时滤除振动信号。本发明的涡街流量计及其流量检测方法可消除设备振动影响，解决涡街流量计的抗震问题。
47.下面通过具体实施例来对本发明的涡街流量计及其流量检测方法作更详细的说明，应理解的是，实施例仅为示例性的，本发明并不以此为限。
48.实施例1
49.参考图1所示，本实施例中气体流道10采用dn8口径，旋涡发生体20的横截面为梯形，其截流面的宽度为1.8mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3mm。
50.采用本实施例的涡街流量计对加油油气回收过程中回收油气的流量进行检测，检测过程中采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。测试过程中本实施例的涡街流量计安装在测试加油机的气路铜管上，测试加油机加油过程中由于真空泵运行会产生一定振动。
51.检测结果：
[0052][0053][0054]
由实施例1可知，本实施例的涡街流量计可有效避免加油机本身的振动对涡街测量造成的影响，测量过程中与对比流量计间的平均误差低于1％。
[0055]
对比例1
[0056]
参考图1所示，本对比例中气体流道10采用dn8口径，旋涡发生体20的横截面为梯形，其截流面的宽度为1.8mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3mm。本对比例与实施例1的不同之处在于，取消了内置的频谱分析与数字滤波相结合的算法，直接使用y轴信号不做任何处理作为流量信号。
[0057]
采用本对比例的涡街流量计对加油油气回收过程中回收油气的流量进行检测，检测过程中采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。测试过程中本对比例的涡街流量计安装在测试加油机的气路铜管上，测试加油机加油过程中由于真空泵运行会产生一定振动。
[0058]
检测结果：
[0059][0060]
对比例1直接采用y轴信号作为流量信号，其流量检测的平均误差较大。
[0061]
对比实施例1与对比例1的检测结果可知，本发明的涡街流量计屏蔽振动采用的频谱分析与数字滤波相结合算法能够有效提高涡街流量计测量的准确性。
[0062]
实施例2
[0063]
参考图1所示，本实施例中气体流道10采用dn8口径，旋涡发生体20的横截面为梯形，其截流面的宽度为2mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3.2mm。
[0064]
采用本发明的涡街流量计对加油油气回收过程中回收油气的流量进行检测，检测过程中采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。
[0065]
本实施例的涡街流量计可有效避免加油机本身的振动对涡街测量造成的影响，测量过程中与对比流量计间的平均误差明显低于相应对比例的平均误差。
[0066]
实施例3
[0067]
参考图1所示，本实施例中气体流道10采用dn10口径，旋涡发生体20的横截面为三角形，其截流面的宽度为2mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3.2mm。
[0068]
采用本实施例的涡街流量计制作油气回收三项测试仪检测回收油气体积，检测过程中采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。
[0069]
本实施例的涡街流量计测量过程中与对比流量计间的平均误差明显低于相应对比例的平均误差，可有效避免振动对涡街测量造成的影响。
[0070]
实施例4
[0071]
参考图1所示，本实施例中气体流道10采用dn10口径，旋涡发生体20的横截面为三角形，其截流面的宽度为2.2mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3.5mm。
[0072]
采用本发明的涡街流量计制作油气回收三项测试仪检测回收油气体积，检测过程中采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。
[0073]
本实施例的涡街流量计测量过程中与对比流量计间的平均误差明显低于相应对比例的平均误差，可有效避免振动对涡街测量造成的影响。
[0074]
实施例5
[0075]
参考图1所示，本实施例中气体流道10采用dn10口径，旋涡发生体20的横截面为梯形，其截流面的宽度为2mm，加速度传感器40与旋涡发生体20之间的距离为3.3mm。
[0076]
采用本发明的涡街流量计对三次油气回收设备中的进气量进行检测，检测过程中
采用德莱塞8c175罗茨流量计进行对比。
[0077]
本实施例的涡街流量计测量过程中与对比流量计间的平均误差明显低于相应对比例的平均误差，可有效避免振动对涡街测量造成的影响。
[0078]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。