摘要:針對旋進(jin)旋渦流量計 抗(kang)幹擾能力差的(de)問題,分析流量(liang)計工業應用中(zhong)存在的幹擾信(xìn)号,提出了一種(zhong)基于頻譜分析(xi)的信号處理方(fāng)法🌐。信号🤩采集電(dian)路🔱并搭建實驗(yàn)平台，分别采集(ji)高流量區和低(dī)流量區的瞬🈚态(tai)沖擊振動信号(hao)和🌈旋渦信号,結(jié)合FFT與經驗模态(tài)分解提取頻譜(pu)中幅值最大值(zhi)對應的頻率即(jí)爲旋渦信号頻(pín)率。在管道受🌂瞬(shun)态沖擊振動的(de)條件下,對實✏️驗(yàn)樣機進行性能(néng)測試,低流量區(qū)的測🔞量誤差💯和(he)重複性分别爲(wei)-0.5%和0.4%,高流㊙️量🍓區的(de)最大測量誤🥵差(cha)和重複性分别(bie)💰爲-0.9%和0.24%,均符合🚩相(xiàng)關标準，實驗結(jie)果表明該方案(an)可以有效減小(xiao)外🥰部幹擾對旋(xuan)進旋渦流量計(ji)測量的影響。
0引(yǐn)言
　　旋進旋渦流(liu)量計屬于流體(tǐ)振動流量計,該(gāi)流量計🔞利用旋(xuán)渦進動頻率與(yǔ)流速成正比的(de)原理測量流量(liàng)。它具備測量精(jing)度高、安裝維護(hu)方便和适應多(duō)種介質等優點(dian)”。由🌍于該類🙇‍♀️型流(liu)量❌計通過檢測(cè)流體振動獲得(dé)流量值,因此,旋(xuán)進旋渦㊙️流量計(ji)存在一個固✍️有(you)缺陷，即抗千擾(rao)能力差。當被測(ce)流體存在脈動(dòng)幹擾或管道受(shòu)🌂到瞬态沖擊振(zhèn)動時,測量系統(tong)的誤差增大,造(zào)成計量誤差,最(zuì)終♉影響流量📧計(jì)的正常計數,這(zhè)嚴重制約了旋(xuan)進旋渦流量計(jì)的進一步發展(zhǎn)。
　　針對上述問題(tí)，流體脈動對旋(xuán)進旋渦流量計(jì)的影響,得到振(zhèn)蕩流中旋進旋(xuan)渦流量計的響(xiǎng)應特性是均勻(yún)流中旋進🌈旋渦(wō)流量計響應特(te)性和振蕩流幹(gan)❌擾特性的疊加(jiā)這一結論,并利(lì)用消除流體脈(mò)動幹🌈擾對流量(liàng)計測量的影響(xiǎng)。在同側沿軸向(xiàng)安裝2個傳🔴感器(qì),其中一個傳感(gan)器采集流量和(hé)振動的混合信(xìn)号,另一個僅采(cai)🚶集振動信号,兩(liang)♈者進行差分處(chu)理,消除外界振(zhen)🚩動對流量計的(de)影響,但該🐇方法(fa)無法消除流體(ti)脈動幹擾對旋(xuán)進旋渦流量計(ji)測量㊙️的影響通(tong)過改進檢🐪測元(yuán)件結構增強旋(xuán)進旋渦流量計(ji)的抗幹擾能力(lì)。使用的✂️壓電傳(chuan)🔆感器中2片壓電(diàn)晶體用于📐檢測(ce)旋渦振🚶‍♀️動的頻(pín)率,另外🈲2片用于(yú)檢測機械振動(dòng)信号。4片壓電晶(jing)體并聯進行工(gong)作,通過對振動(dòng)信号進行差分(fen)處理,保留旋渦(wō)振動信号并轉(zhuan)換爲流量值。
　　綜(zong)上所述,現有成(chéng)果多爲單一因(yin)素對旋進旋渦(wo)流量計測㊙️量的(de)影響,沒有對幹(gan)擾因素綜合分(fèn)析;采用改進傳(chuan)感器的方法研(yan)發成本高、周期(qi)長，在中小企業(ye)中推廣難度大(dà)。因此,文章提出(chu)了基于頻譜分(fèn)析的方法提取(qu)旋渦頻率,分析(xī)不同流量區間(jian)的旋渦信号與(yǔ)振動響應信号(hao),在外部存在幹(gàn)擾的條件下,可(ke)以實現流🤟量的(de)正确測量并通(tōng)過實驗證明了(le)方案的有效🐅性(xing)。
1旋進旋渦流量(liàng)計工作原理
　　旋(xuan)進旋渦流量計(jì)的工作原理如(rú)圖1所示流體進(jìn)人旋進旋渦流(liu)量計後,首先經(jīng)過一組由固定(dìng)螺旋葉👅片組成(cheng)的旋渦發生體(tǐ)，使流體強制旋(xuan)轉,形成旋渦.流(liu)。旋渦流經收縮(suo)段加速,再經擴(kuo)大段急劇減速(sù)，由于壓力上升(sheng)，産生回流，在回(hui)流的作用下旋(xuán)渦的渦核圍繞(rao)流量👣計軸線作(zuò)旋❌進運動刀。旋(xuán)渦的進動頻率(lü)與流量成正比(bi)。假設旋渦進動(dong)頻率爲f,則瞬時(shí)體積流量Qv符合(he)如下規律:Qv=f/Kv,其中(zhōng),Kv爲旋進旋渦流(liu)量計儀表系數(shù)。因此,旋進旋渦(wo)流量計測量的(de)關鍵在于正确(què)得到旋渦進動(dòng)的頻率。
 
2信号處(chù)理方法研究
　　旋(xuán)進旋渦流量計(jì)的檢測元件采(cǎi)集信号經電路(lu)處⛱️理的🐅輸出信(xin)号中主要包含(han)旋渦信号和幹(gàn)擾信号,分析并(bing)比較兩種信号(hao)的區别,找到差(chà)異性最大的🏃🏻‍♂️特(tè)征，即可提取旋(xuan)渦頻率，實現流(liu)量的有效測量(liang)。
旋進旋渦流量(liang)計檢測元件采(cǎi)集的旋渦信号(hao)可以近似看作(zuò)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻正弦信号,在外(wai)界無幹擾情況(kuàng)下,流量計輸出(chu)的電壓信㊙️号爲(wei)🐉
 
式中:V0(t)爲輸出信(xin)号轉換得到的(de)電壓值,V;A0爲正弦(xian)信号的幅值,V;ƒ0爲(wei)旋渦進動頻率(lǜ),Hz;φ0爲信号的相位(wei)。
　　根據三角函數(shu)傅裏葉變換結(jie)果可知[8],在上述(shù)信号的單邊頻(pin)譜中,當ƒ=ƒ0時對應(ying)幅值最大,因此(cǐ),可以通過搜索(suǒ)最值的方法反(fǎn)向确定旋渦信(xìn)号的頻率。
　　在旋(xuán)進旋渦流量計(jì)的實際應用環(huan)境中,常見的幹(gan)🔞擾信号🌈主要爲(wèi)瞬态沖擊振動(dong)和流體脈沖幹(gàn)擾。根據流體脈(mo)動幹擾信号在(zài)沿流量計軸向(xiang)對稱的方向.上(shàng)非常接近🌏,旋渦(wo)産生壓力信号(hào)在對稱位置上(shàng)♻️反相,因此✊可以(yǐ)通過差分處理(li)♊的方式基本消(xiāo)除流⭐體脈沖對(dui)旋進旋渦流量(liang)計的影響。針對(dui)瞬态沖擊振動(dòng)信号,在理想狀(zhuàng)态下可以❄️看作(zuo)阻尼振動❤️信号(hào),通過檢測元件(jian)采集的電壓信(xìn)号可👄通過式(2)表(biǎo)達：
 
　　式中:A1爲信号(hao)的幅值,V;η爲阻尼(ní)系數;ɷn爲固有角(jiao)頻率;ɷd爲振動🛀角(jiao)⭐頻率;φn爲初始相(xiàng)位。
　　從式(2)可以看(kan)出,在振動過程(chéng)中頻率始終保(bao)持不變,幅值🤟不(bú)斷減小至0,因此(ci),在對應的頻譜(pǔ)圖中,當ƒ=ɷd/(2π)時對應(yīng)的幅值最大。實(shí)際環境🌈中,振動(dòng)信号的頻譜中(zhong)可👣能存在高頻(pin)諧波。
　　綜合以上(shang)分析可以看出(chū),由于旋渦信号(hào)始終穩定,對應(ying)的能量随時間(jian)不斷累積,而振(zhen)動信号初始能(néng)量大,随時間變(bian)化累積量不斷(duàn)減少,在兩者初(chu)始幅❤️值基本相(xiàng)同的情況下,旋(xuán)渦信号的能量(liang)必大于振動信(xin)号,因此,可以通(tong)💁過頻譜分❓析結(jie)果中的幅值最(zuì)大值來确定㊙️旋(xuan)渦信号的頻率(lü),并轉化爲瞬時(shi)流量👨‍❤️‍👨完成測量(liang)。
3信号采集電路(lù)設計
　　爲了驗證(zhèng)上述信号處理(lǐ)方案的可行性(xing),需要采集旋進(jin)旋渦流🏃🏻量計的(de)輸出信号并進(jin)行分析,結合以(yi)上提出的信号(hao)🌈處理方法，本文(wen)設計的信号采(cai)集方☂️案如圖🏃‍♀️2所(suo)示,沿流量計軸(zhou)向對稱分别安(ān)裝壓電傳感器(qì)F1和F2,經電荷放大(da)電路将電荷信(xin)号轉化爲電壓(ya)信号,通過差🧑🏽‍🤝‍🧑🏻分(fèn)電路處理‼️得到(dao)旋渦進動的電(dian)壓信号,采用截(jié)止頻率爲1kHz的低(dī)通濾波電路去(qu)除其中的🥵噪聲(sheng),最終輸出實驗(yan)所要采集的信(xìn)🤩号。
 
　　電荷放大電(dian)路具體原理圖(tú)如圖3所示，通過(guò)反饋電❌容C11、C12的積(jī)分作🛀🏻用将電荷(hé)量轉換成電壓(yā)量。電容C13、C14的作用(yong)爲去除輸人的(de)直流分👌量,由于(yu)運算放大器爲(wei)單電源供電,在(zài)運算放大器的(de)同向端輸人正(zheng)向的參考電壓(ya)VREF,大小爲電源電(dian)壓的1/2,擡高采集(ji)的電壓使其位(wei)于運算放🏃大器(qì)的工作電壓範(fàn)圍内。反向端接(jiē)人電阻R5、R6的主要(yào)作用是防止反(fǎn)饋電容長時間(jiān)充電導緻運算(suan)放大器飽和。二(er)級管D1、D2、D3、D4的作用是(shi)防止傳感器過(guò)載産生較大的(de)輸🤞出,保護電路(lu)。V1、V2爲輸出㊙️的電壓(yā)信号,經過後💘續(xù)的運算放大器(qì)差🌍分後進人低(dī)通濾波電路。
 
4實(shi)驗研究與結果(guǒ)分析
4.1實驗平台(tai)搭建
　　旋進旋渦(wō)流量計實驗平(píng)台示意圖如圖(tu)4所示,主要由标(biāo)👄準裝✉️置、管道、PCle-6320數(shù)據采集卡、流量(liàng)計信号采集電(diàn)路和DN50氣體旋進(jìn)旋渦流量計實(shí)驗樣機組成。
 
　　實(shí)驗所用的标準(zhun)裝置精度爲0.25級(ji),實驗樣機的量(liàng)程爲8~120m3/h,精度爲1.5級(jí),則旋渦進動頻(pín)率大緻範圍爲(wèi)45~750Hz。信号采集由⛷️計(jì)算機上的Lab-VIEW軟件(jian)控制數據采集(ji)卡完成,根據奈(nai)奎斯特采樣定(dìng)理,設置信号采(cǎi)樣頻率爲4kHz,保證(zhèng)采樣的信号不(bú)失真。另外,爲了(le)減小數據處理(lǐ)過程中💰的誤差(chà),提高頻率分辨(bian)率,設置采樣時(shí)♈間爲5s,使用20000個數(shu)據點進行分析(xi)計算。
4.2信号處理(li)結果分析.
　　由于(yu)旋進旋渦流量(liàng)計在不同流量(liàng)下對瞬态沖擊(ji)振動的響應不(bu)同,同時,在旋進(jin)旋渦流量計行(hang)業标準中通過(guo)引人分界流量(liang)qt對不同範圍内(nei)的精度與重複(fu)性做了相關規(gui)定,因此,本文分(fen)别對高流量區(qu)和低流量區的(de)振動信号響應(ying)進行分析,分界(jiè)流量爲量程最(zuì)大值的1/5,因此,取(qu)分界流量qt爲24m3/h。
4.2.1高(gao)流量區信号處(chu)理
　　高流量區以(yi)流量點41.7m3/h的瞬時(shí)流量信号爲例(lì)。在流量🈲穩定的(de)情況下完成采(cai)集并去除信号(hào)中的直流分量(liàng)并進行處理,由(yóu)于對信号已進(jìn)行低通濾波處(chu)理,頻譜分析得(de)到的結果中1kHz以(yi)上的信号✊對應(yīng)幅值基本爲0,在(zai)圖中不做展示(shi),得到的♋無振動(dòng)情況下的旋渦(wō)信号的時💛域與(yu)頻域結果圖如(rú)圖5所📱示。從結果(guo)圖中均可以看(kan)♍出🆚,旋渦信号近(jìn)似于正弦信号(hào),與理論🏃🏻‍♂️分.析相(xiàng)符☎️,信号頻率即(ji)爲頻譜圖中尖(jian)峰對應的頻率(lü),通過FFT計算得到(dao)結果爲258.1Hz。
 
　　對實驗(yan)平台的管道施(shī)加3~4Hz的敲擊振動(dòng),得到的時域🥵與(yu)頻域🈲結果如圖(tú)6所示。從結果可(ke)以看出,振動信(xin)号的初🐇始峰值(zhí)與🔞旋渦信号的(de)幅值基本一緻(zhì),同時兩者的頻(pin)✍️譜圖基💋本相同(tong)🌂,計算得到的信(xìn)号頻率值爲㊙️257.1Hz,與(yǔ)穩定狀态下的(de)測量結果基本(běn)--緻。因此，在高流(liu)量區由于旋渦(wō)信号本身的能(néng)量較大,疊加的(de)振動信号不會(huì)影響旋渦頻率(lü)的測量🏒結果,可(ke)以直接通過💰FFT分(fen)析獲得旋渦頻(pín)率。
 
4.2.2低流量區信(xin)号處理
　　低流量(liang)區以流量點9.0m3/h的(de)瞬時流量信号(hao)爲例,采集得到(dao)的無㊙️振🔴動情況(kuang)下的旋渦信号(hao)的時域與頻譜(pu)圖如圖7所示,200Hz以(yi)上的信🔞号分🈲量(liàng)基本爲0,未在結(jie)果圖中展示。從(cóng)結果可以看出(chū),雖然存在一部(bù)分高頻噪聲，旋(xuan)渦信号的幅值(zhi)有跳動的情況(kuàng)，但仍然不會影(yǐng)響流量計的測(cè)量結果,同高💞流(liú)量區采用相同(tóng)的方法計算信(xin)号頻率爲54.0Hz。
 
　　同樣(yang)對實驗平台的(de)管道施加3~4Hz的敲(qiāo)擊振動,得到的(de)時域與頻域結(jie)果如圖8所示，爲(wei)了便于後續的(de)分析🐆與比📞較,時(shí)域圖顯示其中(zhong)1s内的波形。從結(jie)果可看出😘,由于(yu)振動信号的初(chū)始峰值與旋渦(wo)信🔴号的幅值不(bu)在同一量級,FFT分(fèn)析得到振動信(xin)号對應的尖峰(fēng)高于旋渦信号(hao),因此,無法直接(jie)得到旋渦信号(hào)的頻率對于這(zhe)種非平穩信号(hao),可以通過經驗(yan)模态分解(EMD)提取(qu)振動信号對應(ying)的本征模态函(hán)數(IMF),差分處理後(hòu)再進行FFT變換獲(huò)得旋渦信号頻(pín)率。
 
定義爲IMF的條(tiao)件有以下2個:
(1)整(zheng)個信号中,極值(zhí)點數量必須與(yǔ)過零點數量相(xiàng)等或差值爲1;
(2)在(zai)任意時刻,信号(hao)極大值與極小(xiǎo)值包絡的均值(zhi)爲零。
　　原始信号(hao)x(t)分解過程爲:首(shou)先提取信号的(de)極大值與極小(xiǎo)值,通過三次樣(yàng)條插值得到包(bāo)絡信号計算其(qi)平均值mi(t),判🏃‍♂️斷差(chà)值hi(t)=x(t)-mi(t)是否爲IMF分量(liang),如果不是,則将(jiāng)差值作爲下一(yī)次分解目标并(bìng)重複以上步驟(zhou),直到得到本征(zhēng)模态🌍函數IMFk(t)。每次(ci)⛹🏻‍♀️提取IMF後，從原始(shǐ)信号中減去對(dui)應的本征模态(tài)函.數,再進行下(xia)一次分解,直到(dào)最後的信号中(zhōng)不存在IMF,最終,原(yuan)始信👈号可以表(biao)示爲
 
式中:n爲IMF的(de)個數;e(t)爲信号的(de)殘差。
　　上述信号(hào)進行分解後得(dé)到的一階本征(zhēng)模态函數📐時域(yu)與頻域結果如(ru)圖9所示。從結果(guǒ)可以看出,EMD處理(li)後得到的本征(zhēng)模态函數基本(ben)保留了原有振(zhèn)動信🈲号的所有(yǒu)特征,幅值較大(dà)處對應的頻📱率(lü)基本--緻。
　　将兩種(zhǒng)信号差分處理(lǐ),對應的信号時(shí)域與頻域結果(guo)💘如圖10所🐇示。從結(jie)果可以看出,振(zhen)動信号的能量(liang)得到有效去除(chú),頻譜圖基本不(bú)存在高頻振動(dòng)信号,計算頻譜(pu)圖中尖峰峰值(zhí)對應的頻率爲(wèi)54.0Hz,與穩定條件下(xià)的旋渦🐅信号頻(pín)率-緻,證明本方(fang)案在實際應用(yong)中💃具有可行性(xìng)。
 
4.3流量計性能測(ce)試
　　按照JJG1121-2015《旋進旋(xuán)渦流量計》的檢(jian)定要求,對流量(liang)計進行标定🈚,得(dé)到瞬時流量Q(m3/h)與(yu)頻率ƒ(Hz)之間的函(han)數關系式如下(xia):
 
　　對實驗平台管(guǎn)道施加3~4Hz的振動(dòng)信号,在旋進旋(xuán)渦流😄量計的量(liàng)👄程内,任取10個流(liú)量點,每個流量(liàng)點重複進行3次(ci)實驗🔴，實驗結果(guo)如表1所示。
 
　　測量(liang)誤差與重複性(xing)曲線如圖11所示(shì),低流量區的最(zui)大測量誤差和(hé)重複性分别爲(wei)-0.5%和0.4%,高流量區的(de)最大測量誤差(cha)分别爲-0.9%和0.24%,根據(jù)旋進旋渦流量(liang)計檢定規程要(yào)求,低流量區8~24m'/h最(zuì)大允許誤差範(fàn)圍爲3.0%,重複性小(xiao)于1.0%;高流量區24~120m3/h最(zui)大允許誤差範(fàn)圍爲1.5%,重複🤟性小(xiao)于0.5%。綜合以上分(fèn)析,所有指标均(jun1)在規定的範圍(wei)内,符合旋👈進旋(xuán)渦流量計的性(xìng)能要求。
 
5結束語(yu)
　　針對旋進旋渦(wo)流量計抗千擾(rao)能力差的問題(ti),在消除流體脈(mò)動幹擾的條件(jiàn)下,提出了一種(zhǒng)基于頻譜分析(xī)的方法提取旋(xuan)渦頻率,分别對(duì)高流量區和低(dī)🥵流量區的振動(dòng)響應進行分析(xī),結合經驗模态(tai)分解與FFT方法提(ti)❗取頻譜中幅值(zhí)最大值對應的(de)頻率，規避了外(wài)部瞬态沖擊振(zhen)動對旋進旋渦(wō)流量計的影響(xiǎng)☔,實現流量的準(zhǔn)确測量。實驗結(jie)♉果表明:該方案(àn)得到的測量結(jie)果符合旋進旋(xuán)渦流量計行業(yè)相關标準，具有(you)較高的實用性(xing)。

文章來源于網(wǎng)絡,如有侵權聯(lian)系即删除！