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科氏质量流量计理论与应用研究

作　者: 仝猛
导　师: 陈明
学　校: 西北工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 科氏质量流量计模态分析有限元互相关离散傅立叶变换相位差复杂解调
分类号: TH814
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

科氏质量流量计(CMF)是一种通过检测流过流体的科氏效应来直接测量质量流量的流量计。目前实用的CMF,是通过检测振动的载流测量管中流体的科氏效应,就是流体的科氏惯性力对管道两端振动相位的影响来测量流过管道的流体质量的。此两路振动信号的相位差和流经管道的质量流量成正比。CMF在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等变化对测量精度的影响,可以适应气体、液体、两相流、高粘度流体和糊状介质的测量,是一种高精度的适应范围很广的测量方法。它还具有压力损失小、自排空、保持清洁等众多优点,是流量测量的发展方向之一。针对CMF的特点和研究现状,本文以单直管CMF为主要研究对象,以理论分析、数值计算和仿真为主要研究方法,来研究CMF的力学模型,影响测量精度的因素,以及微弱信号处理等目前工程实践中的主要问题。在结构分析方面,主要进行两方面的工作: 一是根据振动理论,采用受力分析方法建立并对比分析直管CMF的Euler梁、Timoshenko梁、考虑轴向力的梁以及测量管的流固耦合等多种不同简化模型和振动方程,采用理论和有限元数值计算方法对模型进行求解验证。二是采用有限元方法对CMF进行了动态分析。首先,在分析CMF工作特点的基础上,详细讨论CMF有限元模态分析的建模问题,包括单直管CMF整体模型、测量管实体模型、梁模型等,对比不同模型的差异。然后,采用等效方法(将各种影响因素简化为等效的有限元模型)从模态分析的角度出发,全面深入地研究影响CMF的各种因素,分析其对固有频率、振型,以及流量测量值,漂移等指标的影响趋势、大小以及机理。研究包括下列几类因素对模态的影响:支承形式、支承刚度(轴向刚度、弯曲刚度)、支承不对称;激振器附加质量,拾振器附加质量,拾振器位置,激振器、拾振器偏离对称位置等;温度应力、轴向预应力(应变)、材料属性等;流体压力、流体附加质量、密度分布、杂质和气泡分布(固液两相流)等。并提出消除这些因素影响的方法。在信号处理方面,主要逐次论述三方面的工作: 首先,介绍离散傅立叶变换(DFT)测量相位的方法并详细讨论其在CMF相位测量中的非整数周期和相位突变等问题。①分析离散傅立叶变换和快速傅立叶变换(DFT/FFT)测量正弦信号相位时,样本长度为非整数周期引起的问题,对其引起的相位误差进行量化分析,并发现相位测量误差随着样本长度和待测相角的变化,均呈周期变化。在不同的待测初相角下,非整数周期的影响不同,相对相位误差变化很大,最终影响流量测量值的瞬态误差、稳态误差及零点漂移。据此,提出将初相位偏置以减小测量误差的方法。②探讨DFT/FFT测量正弦波相位时存在的相位突变的机理、变化规律以及应对措施等问题。并指出数学模型可归结为乘积积分(叠加)的信号处理方法(如相关方法等)也均可能存在类似问题。相位突变不仅仅是因为反正切函数不连续引起的2π跳变(相位模糊),而且包含测相点频差引起的相位计算的不确定性,这种不确定性受样本长度和测相点频差的影响,具有准周期变化的规律。通过减小测相点频差以及改变DFT样本长度可以改善相位估计的精度。此外,对在试验中发现的DFT相位测量问题,如频率分辨率、频率估计不准确等问题,分析并提出一些解决措施。在微弱信号相位差检测中,DFT方法虽然对噪声和干扰虽然具有一定的抑制作用,但其抑制能力有限,且不能适应流量或密度快速变化的场合。为此,本文提出了改进或替代DFT方法的三种互相关相位测量方法:①将互相关作为DFT之前的滤波使用,等效于求互谱,具有两次窄带滤波的效果,可改善对噪声和干扰的抑制效果。文中提出使互相关滤波的输出(即时延函数)包含相位信息的条件,并采用数值计算仿真验证了互相关滤波的效果;

全文目录

第1章绪论  10-32
  1.1 研究意义  10-12
  1.2 典型CMF的工作原理  12-14
    1.2.1 U形管CMF的原理  12-13
    1.2.2 直管CMF的原理  13-14
  1.3 典型CMF系统的结构和组成  14-15
  1.4 研究现状  15-25
    1.4.1 CMF研究特点  16
    1.4.2 理论和建模研究  16-21
    1.4.3 结构设计和工艺  21-22
    1.4.4 流体性质(物性参数)对CMF特性的影响  22
    1.4.5 脉动流对流量计性能的影响  22-23
    1.4.6 二次仪表  23-25
  1.5 目前研究中存在的主要问题  25
  1.6 本论文的主要工作和研究方法  25-32
第2章科氏质量流量计理论分析  32-50
  2.1 科氏效应和CMF的定性分析  32-35
    2.1.1 科氏加速度  32-34
    2.1.2 科氏力  34-35
  2.2 CMF的振动问题  35-36
  2.3 无流体时测量管的弯曲振动分析  36-41
    2.3.1 EULER-BERNOULLI模型和EULER方程  36-38
    2.3.2 瑞利方程  38-39
    2.3.3 TIMOSHENKO梁模型和TIMOSHENKO方程  39-40
    2.3.4 考虑轴向力影响的弯曲振动方程  40-41
  2.4 载流测量管的弯曲振动分析  41-47
    2.4.1 基于EULER梁理论的载流测量管模型  41-42
    2.4.2 基于TIMOSHENKO梁理论的载流测量管模型  42-43
    2.4.3 考虑轴向力时的载流测量管振动模型  43-44
    2.4.4 转动惯量、剪切变形和轴向力对固有频率的影响  44-45
    2.4.5 测量管的EULER梁、TIMOSHENKO梁比较  45-47
  2.5 小结  47-50
第3章影响CMF模态的因素研究  50-80
  3.1 有限元建模和分析方法  51-54
    3.1.1 算例简介  51
    3.1.2 有限元模态分析原理  51-52
    3.1.3 建立CMF实体有限元模型的方法  52-54
  3.2 三种不同简化模型的模态对比分析  54-57
    3.2.1 梁模型的模态分析  54
    3.2.2 测量管实体模型的模态分析  54-55
    3.2.3 CMF整体有限元模型  55-56
    3.2.4 有限元模型对于模态频率计算值的影响  56-57
  3.3 支承类型对模态的影响  57-58
  3.4 支承刚度对模态的影响  58-63
    3.4.1 支承轴向刚度对模态的影响  59-61
    3.4.2 支承弯曲刚度对模态的影响  61-63
  3.5 流体压力对模态的影响  63-64
  3.6 流体密度变化对模态频率的影响规律  64-65
  3.7 CMF内温度场对模态的影响  65-69
    3.7.1 CMF中的热应力和热应变  65-67
    3.7.2 轴向预应力对模态的影响  67-68
    3.7.3 温度对材料性质的影响  68
    3.7.4 材料弹性模量温度特性的测量方法  68-69
  3.8 激振器和拾振器附加质量对模态的影响  69-71
    3.8.1 激振器位置(对称和不对称)对模态的影响  70
    3.8.2 拾振器的位置对模态的影响  70-71
  3.9 结构不对称因素对模态的影响  71-77
    3.9.1 CMF制造和运行中的不对称因素  71
    3.9.2 激振器位置非对称对模态的影响  71-72
    3.9.3 拾振器位置非对称对模态的影响  72-74
    3.9.4 测量管支承刚度非对称对模态的影响  74-75
    3.9.5 测量管中流体分布不对称对模态的影响  75-76
    3.9.6 气泡等因素对模态的影响  76-77
  3.10 CMF工作状态(固有频率和振型)的变化  77
  3.11 CMF工作状态变化的调节和补偿  77-78
  3.12 小结  78-80
第4章 CMF中傅立叶变换方法的应用研究  80-104
  4.1 傅立叶变换相位测量的基本原理  80-81
  4.2 离散傅立叶变换  81-83
  4.3 正弦序列的DFT相位测量  83-84
  4.4 非整周期引起的相位和流量计算值误差分析  84-90
  4.5 傅立叶变换方法测量正弦信号相位的相位突变效应  90-96
    4.5.1 反正切函数不连续引起的相位卷绕和跳变  90-91
    4.5.2 产生测相点频差的根源  91
    4.5.3 相位突变原因分析  91-96
  4.6 CMF中应用DFT计算频率的分辨率问题和解决措施  96-100
    4.6.1 有限长序列DFT的频率分辨率  96-97
    4.6.2 提高DFT频率测量精度及频谱分辨率的途径  97
    4.6.3 DFT序列补0  97-99
    4.6.4 DFT中样本的周期延拓和重叠  99-100
    4.6.5 其它提高DFT频率测量精度的方法和措施  100
  4.7 小结  100-104
第5章 CMF中相关法计算相位差的研究  104-124
  5.1 相关函数  105
  5.2 第一种相关方法(广义正交变换法)  105-110
    5.2.1 第一种相关方法的数值计算和仿真验证  106-110
    5.2.2 和CHIRPLET变换的比较  110
  5.3 相关滤波和第二种相关方法(互谱法)  110-114
    5.3.1 第二种相关方法用于相位检测的条件和原理  111-113
    5.3.2 第二种相关方法的实验和仿真分析  113-114
  5.4 相关比较相位测量  114-115
  5.5 相关法和傅立叶变换、卷积之间的关系  115-116
  5.6 相关器的实现方法讨论  116-122
    5.6.1 互相关函数硬件(模拟)实现方法  116-118
    5.6.2 相关函数估计值的数字计算方法  118-122
  5.7 小结  122-124
第6章 CMF中复杂调制信号的相位差测量  124-140
  6.1 CMF中的振动响应信号的特征  124-125
  6.2 非平稳和复杂调制振动响应信号的解调概述  125
  6.3 同步变时钟采样  125-130
    6.3.1 幅频已调波信号的同步变时钟采样  126
    6.3.2 仿真实例  126-128
    6.3.3 同步变时钟采样频谱混叠和采样频率问题  128-129
    6.3.4 CMF中应用同步变时钟采样  129-130
  6.4 复杂调制信号解调(分离)技术  130-136
    6.4.1 去除频率调制  130-132
    6.4.2 复杂解调——相位和幅度分离  132-133
    6.4.3 复杂解调的实现  133-136
  6.5 小结  136-140
第7章总结  140-144
  7.1 结论  140-141
  7.2 本文的创新点  141-142
  7.3 对后续研究的设想和建议  142
  7.4 CMF的发展趋势和展望  142-144
致谢  144-145
已发表论文  145-146
附录部分源程序  146-147
西北工业大学学位论文知识产权声明书  147
西北工业大学学位论文原创性声明  147

科氏质量流量计理论与应用研究

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