Существующие методы подавления влияния вибрации

Существующие методы подавления влияния вибрации можно условно разделить на конструктивные и математические. Конструктивные методы обычно представляют собой балансировку сенсоров, такую как, например, у последних емкостных моделей, либо встроенную компенсацию за счет сегментирования и специальной схемы подключения сегментов сенсоров, как это сделано в расходомеров digitalYEWFLO. Однако эти методы в отдельности недостаточно надежны без применения дополнительного математического аппарата.

Рассмотрим на чем обычно строится математический аппарат подавления влияния вибраций в расходомерах.

• 1) Полосовой фильтр. Достаточно просто рассчитать диапазон частот, в которых могут лежать колебания, связанные с полезным сигналом. Установив полосовой фильтр, Вы сразу сужаете себе задачу по отсечению паразитных сигналов.
• 2) Порог по амплитуде. Амплитуда полезного сигнала квадратично зависит от скорости, а следовательно — частоты. В простейшем случае, поскольку измерения расхода начинаются не с нуля, а с некоторой величины расхода, устанавливается порог по амплитуде, ниже которого сигнал не воспринимается как полезный. Таким образом сразу же отсекаются посторонние «шумы» с небольшой амплитудой сигнала.
• 3) Динамический фильтр по амплитуде. В более серьезных расходомерах делается порог, динамически квадратично меняющийся с частотой сигнала. Иногда даже закладывается динамически меняющийся более узкий настраиваемый фильтр по амплитуде, который отсекает сигналы как снизу, так и снизу. Естественно — этот инструмент также зависит от плотности среды, поэтому в расходомерах, применяющих этот метод, обязательно требуется закладывать в память прибора — какой тип среды Вы измеряете (жидкость, пар, газ), чтобы правильно настроить чувствительность прибора. Многообразие настроек в этом инструменте позволяет более тонко настроить отсечение паразитного сигнала.
• 4) Цифровая обработка сигнала. В последнее время производители все более часто прибегают к цифровой обработке сигнала, когда сигнал с сенсора оцифровывается и далее вся обработка сигнала производится исключительно в цифровом виде. Это дает разработчикам более широкие возможности в применении различных алгоритмов подавления посторонних шумов, не связанных с полезным сигналом.
• 5) Поляризация вибраций. Этот способ можно очень условно отнести к математическому аппарату, однако все-таки, поскольку в нем заложены геометрические свойства возмущающего эффекта, мы изложим этот способ здесь. Вибрация — это колебания, а любые колебания имеют выделенную плоскость или направление, в которых происходит непосредственно колебательное движение. Таким образом, каждые условия вибрации имеют свою характерную картину распределения колебаний по направлениям. При простейших средствах защиты от вибрации в самом расходомере некоторые производители выходят из положения тем, что рекомендуют вращать расходомер вдоль оси трубопровода и «ловить» оптимальную ориентацию расходомера, когда существующая поляризация вибраций меньше всего влияет на показания расходомера. Существующие вихревые расходомеры можно условно разделить на 2 класса по их защите от вибраций: а) расходомеры без специальной защиты или с простейшими уровнями защиты, такими как полосовой фильтр и порог по амплитуде, б) расходомеры с динамически подстраиваемым аппаратом под меняющиеся условия вибрации.
• а) расходомеры с простейшими уровнями защиты от вибрации: Большинство производителей вихревых расходомеров останавливаются на простейших вариантах защиты от вибрации и в крайних случаях рекомендуют прибегать к вращению расходомера вдоль оси трубопровода. Следует отметить, что это дает более-менее надежные результаты при фиксированных условиях вибрации. Обычно их настройки производятся при нулевом расходе так, чтобы показания расходомера свелись к нулю. Естественно здесь есть существенный недостаток: в этих случаях не учитывается динамическая составляющая вибрации, меняющаяся с расходом. Обычно источниками такой вибрации являются возмущающие поток элементы схемы, такие как клапана, вентили, изгибы труб, шероховатости и т. п. Таким образом, получается, что Вы не можете гарантировать достоверность показаний при реальном расходе в Ваших условиях установки расходомера. Обычно такие расходомеры применяют для измерения расхода жидкости на небольших скоростях потока при отсутствии или минимальной вибрации. Они требуют обязательной дополнительной настройки после установки. Такие расходомеры не рекомендуется ставить на учетные позиции.
• б) расходомеры с динамически подстраиваемым аппаратом под меняющиеся условия вибрации: Аппарат динамической подстройки под меняющиеся условия вибрации достаточно сложен в реализации, в связи с чем очень немногие производители применяют его в своих приборах. Благодаря этому аппарату такие расходомеры очень удобны в установке, так как не требуют никакой дополнительной настройки после установки на позицию, а также их показания более достоверны в рабочих условиях. Поэтому именно такие приборы желательно применять при учетных операциях (если речь вообще идет об использовании вихревых расходомеров). Хотелось бы отдельно остановиться на техническом решении, предлагаемом фирмой Yokogawa в своих вихревых расходомерах серии YEWFLO. Это решение можно разбить на 2 части: конструктивную и аппаратную (в том числе и математическую).

Конструктивная часть:

Как любой вектор, вибрацию можно разложить на три пространственных составляющих: а) вдоль трубопровода, б) вдоль вихреобразователя и в) перпендикулярно оси трубопровода и вихреобразователю. Составляющие а) и б) легко компенсируются за счет сегментирования и полярности пьезодатчиков (рис. 13 а, б). Самое сложное направление в плане выделения и дальнейшей компенсации % это воздействие, совпадающее по направленности с воздействием вихрей. В этой ситуации восхищает то изящество, с каким разработчики фирмы Yokogawa вышли из положения: пользуясь тем, что центр приложения усилий от вихреобразования приходится на центр сечения трубопровода, а условный центр воздействия вибрации приходится на центр масс, они разнесли эти две точки по длине сенсора. Благодаря этому получилось, что эффекты от воздействия вибрации и полезного сигнала дают разные эпюры изгиба (рис.13б). Разнеся два пьезодатчика по длине сенсора можно потом легко разделить полезную и паразитную составляющие путем простейшего линейного преобразования.