摘要(yao):針對旋進旋(xuán)渦流量計 抗(kàng)幹擾能力差(chà)的問題,分析(xi)流量計工業(yè)應用中存在(zai)的幹擾信📱号(hao),提出了一種(zhong)基于頻譜分(fèn)析的信号處(chù)理🔱方法。信号(hao)采集電路并(bing)搭建實驗平(ping)台，分别采集(ji)高流量區和(he)低流量區的(de)瞬态沖擊振(zhèn)動信号和旋(xuán)渦信号🔴,結合(hé)FFT與經驗模态(tai)分解提取頻(pin)譜中幅值最(zuì)大值對應的(de)頻率即爲旋(xuán)渦信号頻率(lǜ)。在管道受瞬(shun)态沖擊振動(dòng)的條件下,對(duì)實驗樣機進(jin)行性能測試(shi),低流量區的(de)測量誤差❗和(hé)重複性👉分别(bie)爲-0.5%和0.4%,高流☀️量(liang)區的最大測(ce)量誤差和重(zhòng)複性分别爲(wei)-0.9%和0.24%,均符合相(xiang)關标準，實驗(yan)結果表明該(gāi)方案可以有(you)效減☀️小外部(bu)幹擾對旋進(jin)旋渦流量計(ji)測量的影響(xiǎng)⭐。
0引言
　　旋進旋(xuan)渦流量計屬(shu)于流體振動(dong)流量計,該流(liú)量計利用🤟旋(xuan)渦進動頻率(lü)與流速成正(zheng)比的原理測(cè)量流量。它具(ju)備測量精度(dù)高、安裝維護(hu)方便和适應(yīng)多種介質等(deng)優點”。由🌐于該(gāi)類型流量計(ji)通過👅檢測流(liu)體振動獲得(de)流量值,因此(ci),旋進旋渦流(liu)量計存在一(yi)個固有缺陷(xiàn)，即抗千擾能(neng)力差。當被測(cè)流體存在脈(mo)動幹擾或管(guan)道受到瞬态(tai)沖擊振動☁️時(shí),測量系統的(de)💃誤差增大,造(zao)成計量誤差(chà),最終🧑🏽‍🤝‍🧑🏻影響流(liu)量計的正常(chang)計數🏃‍♂️,這嚴重(zhong)制約了旋進(jin)💜旋渦流量計(jì)的進一步發(fa)展。
　　針對上述(shu)問題，流體脈(mo)動對旋進旋(xuan)渦流量計的(de)影響,得到振(zhèn)蕩流中旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的響應特性(xìng)是均勻流中(zhong)🚶‍♀️旋進旋渦🥰流(liu)量計響應特(tè)性和振蕩流(liú)幹擾特性💁的(de)疊加這一結(jié)論,并利用消(xiao)除流體脈動(dong)幹擾對流量(liang)👣計測量的影(yǐng)響。在同側沿(yan)軸向安裝2個(ge)傳感器,其中(zhōng)一個傳感器(qi)采集流量和(he)振動的混合(hé)信号,另一個(ge)僅采集振動(dong)信号,兩☁️者進(jìn)行差分處理(li),消除外界振(zhèn)動對流量計(ji)的影響,但該(gāi)方法無法消(xiāo)除流體脈動(dong)幹擾對旋進(jin)旋渦流量計(jì)測量的影響(xiang)通過改進檢(jian)測元件結構(gòu)✍️增強旋進旋(xuan)渦流量計的(de)抗🈲幹擾能力(lì)。使用的壓電(dian)傳感器中2片(pian)壓電晶體用(yong)于檢測旋渦(wō)振動的頻率(lǜ),另外2片用于(yú)檢測機械振(zhen)動信号。4片壓(ya)電晶體并聯(lian)進行工作,通(tong)過對振動信(xìn)号🏃進行差分(fen)處理,保留旋(xuan)渦振動信号(hao)并🐕轉換爲流(liu)量值。
　　綜上所(suǒ)述,現有成果(guǒ)多爲單一因(yin)素對旋進旋(xuán)渦流量計測(cè)量的影響,沒(méi)有對幹擾因(yin)素綜合分析(xi);采用改進傳(chuán)感器的方法(fǎ)研發成本高(gāo)、周期長，在中(zhōng)小企🆚業中推(tuī)廣難度大。因(yīn)此,文章提出(chū)了基🈲于頻譜(pu)分析🚶‍♀️的方法(fǎ)提🔞取旋渦頻(pín)🏃🏻‍♂️率,分析不同(tong)流量區間的(de)旋渦✉️信号與(yǔ)振動響應信(xìn)号,在外部存(cún)在幹擾的條(tiáo)件下,可以實(shi)現流量的正(zheng)确測量并通(tong)過實驗證明(míng)了方案的有(you)效性。
1旋進旋(xuán)渦流量計工(gong)作原理
　　旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作原理(lǐ)如圖1所示流(liú)體進人旋進(jin)旋渦流✨量計(ji)後,首先經過(guò)一組由固定(ding)螺旋葉片組(zu)成的旋渦發(fā)生體，使流體(tǐ)強制旋轉,形(xíng)成旋渦🛀.流。旋(xuán)渦流經收縮(suō)段加速,再經(jing)擴大段🔞急劇(ju)減速，由于壓(yā)力上升，産生(sheng)回流，在回流(liu)🐆的作用下旋(xuan)渦的渦🌈核圍(wei)繞流量計軸(zhou)線作旋進運(yun)動刀。旋渦的(de)進動頻❌率與(yu)流量成正比(bǐ)。假設旋渦進(jìn)動頻率爲f,則(zé)瞬時體❗積流(liu)量Qv符合如下(xia)規律:Qv=f/Kv,其中,Kv爲(wei)旋進旋渦流(liú)量計儀表系(xì)數。因此,旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的👅關鍵(jiàn)在于正🌏确得(dé)到旋渦進動(dong)的頻率。
 
2信号(hao)處理方法研(yán)究
　　旋進旋渦(wo)流量計的檢(jiǎn)測元件采集(ji)信号經電路(lu)處理的💰輸出(chū)信号中主要(yao)包含旋渦信(xin)号和幹擾信(xìn)号,分析并比(bǐ)較兩種信号(hào)的區别,找到(dao)差異性最大(dà)的特征，即可(ke)提取🙇🏻旋渦頻(pín)率，實現流量(liàng)的有效測量(liang)。
旋進旋渦流(liu)量計檢測元(yuan)件采集的旋(xuán)渦信号可以(yǐ)近🐉似看💛作正(zhèng)⛷️弦信号,在外(wai)界無幹擾情(qíng)況下,流量計(ji)輸出的電⭐壓(yā)信号爲
 
式中(zhong):V0(t)爲輸出信号(hao)轉換得到的(de)電壓值,V;A0爲正(zheng)弦信号的幅(fu)值,V;ƒ0爲❄️旋渦進(jin)動頻率,Hz;φ0爲信(xin)号的相位。
　　根(gēn)據三角函數(shù)傅裏葉變換(huan)結果可知[8],在(zai)上述信号的(de)單邊頻譜中(zhōng),當ƒ=ƒ0時對應幅(fu)值最大,因此(ci),可以通過搜(sou)索最值的方(fāng)法反向确定(dìng)旋渦信号的(de)頻率。
　　在旋進(jin)旋渦流量計(ji)的實際應用(yòng)環境中,常見(jian)的幹擾信号(hao)🤞主要爲瞬态(tai)沖擊振動和(hé)流體脈沖幹(gan)擾。根👣據流體(ti)脈❗動幹擾信(xin)号在沿流量(liàng)計軸向對稱(chēng)的方📞向.上非(fēi)🐆常接近,旋渦(wo)産生壓力🌈信(xin)号在對稱位(wèi)置上反相,因(yin)此可以通過(guò)🌈差分處理的(de)方式基本消(xiao)除流體脈沖(chòng)對旋進旋渦(wo)流量計的影(ying)響。針🙇‍♀️對瞬态(tai)沖擊振動信(xìn)号,在理想狀(zhuàng)态下可以看(kàn)作阻尼振動(dong)信号,通過檢(jian)測元件采🆚集(jí)的電壓信号(hao)可通過式(2)表(biao)達：
 
　　式中:A1爲信(xìn)号的幅值,V;η爲(wei)阻尼系數;ɷn爲(wei)固有角頻率(lǜ);ɷd爲🤟振動角頻(pin)率;φn爲初始相(xiang)位。
　　從式(2)可以(yǐ)看出,在振動(dong)過程中頻率(lü)始終保持不(bu)變,幅🐇值不斷(duan)減小至0,因此(cǐ),在對應的頻(pin)譜圖中,當ƒ=ɷd/(2π)時(shí)對應的幅值(zhi)最大。實際環(huan)境中,振動信(xìn)号的頻譜中(zhong)可能存在高(gao)頻諧波。
　　綜合(he)以上分析可(kě)以看出,由于(yú)旋渦信号始(shǐ)終穩定,對應(ying)的能量随時(shí)間不斷累積(jī),而振動信号(hao)初始能✏️量大(dà),随時間變化(hua)累🔞積量不斷(duan)減少,在兩者(zhe)初始幅值基(ji)本🈲相同的情(qing)況下,旋渦信(xin)👣号的能量必(bi)大于振動信(xìn)号,因此,可以(yǐ)通過頻譜分(fen)析結果中的(de)幅值最大值(zhí)來确定📧旋渦(wō)信号的🏃🏻頻率(lü),并轉化爲瞬(shùn)時流量完成(chéng)測量。
3信号采(cǎi)集電路設計(jì)
　　爲了驗證上(shàng)述信号處理(lǐ)方案的可行(háng)性,需要采集(jí)旋進✏️旋渦流(liu)量計的輸出(chū)信号并進行(háng)分析,結合以(yi)上提出的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信(xin)号處理方法(fǎ)，本文設計的(de)信号采集方(fang)案如圖2所示(shì),沿流量計軸(zhóu)向對稱分别(bié)安裝壓電傳(chuán)感器F1和F2,經☁️電(dian)荷放大㊙️電路(lu)将電荷信号(hao)轉㊙️化爲電壓(yā)信号,通過差(cha)分電路處理(lǐ)得到旋渦進(jìn)動的電壓信(xin)👌号,采用截止(zhǐ)頻率爲1kHz的低(dī)通濾波電路(lu)去除其中的(de)噪聲,最終輸(shū)出實驗所要(yào)采集的信号(hao)。
 
　　電荷放大電(diàn)路具體原理(lǐ)圖如圖3所示(shì)，通過反饋電(diàn)容C11、C12的積分作(zuò)用将電荷量(liang)轉換成電壓(ya)量。電容C13、C14的作(zuò)🔴用爲🔴去除輸(shū)人的直流分(fèn)量,由于運算(suan)放大器爲單(dan)電源供電,在(zài)運算放大器(qì)的同向端輸(shu)人正向的參(cān)考電壓VREF,大小(xiǎo)爲電源電壓(yā)的1/2,擡高采集(jí)的🏃電壓使其(qí)🌏位于運算放(fàng)大器的工作(zuò)電壓範圍内(nei)。反向端接人(ren)電阻R5、R6的主要(yào)作用是防止(zhǐ)反饋電容長(zhang)時間充電導(dǎo)✉️緻運算放大(dà)器飽和。二級(jí)⭐管D1、D2、D3、D4的作用🤟是(shi)防止傳感器(qi)過載産生較(jiao)大的輸出,保(bǎo)護電路。V1、V2爲輸(shu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出的電壓信(xin)号,經過後續(xù)的運算放大(dà)器差分後進(jin)人低通濾波(bō)♈電路。
 
4實驗研(yan)究與結果分(fèn)析
4.1實驗平台(tai)搭建
　　旋進旋(xuan)渦流量計實(shí)驗平台示意(yi)圖如圖4所示(shi),主要由标準(zhǔn)裝置、管道、PCle-6320數(shù)據采集卡、流(liú)量計信号采(cai)集電🐇路和DN50氣(qi)體旋進🤩旋渦(wo)流量計實驗(yàn)樣機組成。
 
　　實(shi)驗所用的标(biao)準裝置精度(du)爲0.25級,實驗樣(yàng)機的量程爲(wèi)8~120m3/h,精度爲1.5級,則(zé)旋渦進動頻(pín)率大緻範圍(wéi)爲45~750Hz。信号采集(ji)由計算👄機上(shàng)的Lab-VIEW軟件控制(zhi)數據采集卡(ka)完成,根據奈(nài)奎斯特采樣(yàng)定理,設置信(xìn)号采樣頻🐆率(lǜ)爲4kHz,保證采樣(yang)的信号不失(shī)真。另外,爲了(le)減小數據處(chù)理過程中的(de)誤差,提高🛀🏻頻(pin)率分辨率,設(she)置采樣時間(jiān)爲5s,使用20000個數(shu)據點進行分(fen)析計算。
4.2信号(hào)處理結果分(fèn)析.
　　由于旋進(jin)旋渦流量計(ji)在不同流量(liàng)下對瞬态沖(chong)擊振動的響(xiǎng)應不同,同時(shi),在旋進旋渦(wo)流量計行業(ye)标準中通過(guo)引人♍分界流(liú)量qt對不同範(fàn)圍内的精度(dù)與重複性做(zuò)了相關規定(ding)⛹🏻‍♀️,因此,本文分(fen)别對高流量(liàng)區和低流量(liang)👣區的振動信(xìn)号響應進行(háng)分析,分界流(liú)量㊙️爲量程最(zuì)大值的1/5,因此(ci),取分界流量(liàng)qt爲24m3/h。
4.2.1高流量區(qū)信号處理
　　高(gāo)流量區以流(liu)量點41.7m3/h的瞬時(shí)流量信号爲(wèi)例。在流量穩(wen)定的情‼️況🌐下(xia)完成采集并(bìng)去除信号中(zhōng)的直流分量(liang)并進行處理(lǐ),由于🌈對信号(hào)已進行低通(tong)濾波處理,頻(pín)譜分析得到(dao)的結果中1kHz以(yǐ)上的信号對(duì)應幅值基本(ben)爲0,在圖中不(bu)做展示,得到(dào)的無振動情(qing)況下的旋🏃‍♂️渦(wo)信号的時域(yu)與頻域結果(guǒ)圖如圖5所示(shì)。從結果圖中(zhōng)均可以看出(chu),旋渦信号近(jin)似于正弦信(xin)号,與理論分(fen).析相符,信号(hào)頻率即爲㊙️頻(pín)譜圖中尖峰(fēng)對應的頻率(lü),通過FFT計算得(de)到結🈲果爲258.1Hz。
 
　　對(duì)實驗平台的(de)管道施加3~4Hz的(de)敲擊振動,得(de)到的時域與(yu)頻🚶域📧結果如(ru)圖6所示。從結(jie)果可以看出(chu),振動信号的(de)初始峰值與(yu)旋渦🧑🏾‍🤝‍🧑🏼信号的(de)幅值基本一(yī)緻,同時兩者(zhě)的頻譜圖基(ji)本相同,計算(suan)得到的信号(hào)頻率值爲257.1Hz,與(yǔ)穩定狀态下(xià)的測量結果(guǒ)基本--緻。因此(ci)，在高流量區(qū)由于旋渦信(xin)号本身的能(neng)量較大,疊🔴加(jiā)的振動信号(hao)不會影響旋(xuán)渦頻率的測(cè)量🌂結果,可以(yǐ)直接通過FFT分(fèn)析獲得旋渦(wo)頻率。
 
4.2.2低流量(liang)區信号處理(li)
　　低流量區以(yi)流量點9.0m3/h的瞬(shun)時流量信号(hào)爲例,采集得(de)到的無振動(dong)🏃‍♀️情況下的旋(xuán)渦信号的時(shí)域與頻譜圖(tú)如圖7所示,200Hz以(yi)上的信号分(fen)量基本爲0,未(wei)在結果圖中(zhong)㊙️展示。從🏃結果(guǒ)可😄以看出,雖(suī)然存❗在一部(bu)分高頻噪聲(shēng)，旋渦信号的(de)幅值有跳動(dong)的情況，但仍(reng)然不會影響(xiang)流量計的測(ce)量結果,同高(gao)流量區采用(yòng)相同的方法(fa)計算信号頻(pin)率🏃爲54.0Hz。
 
　　同樣對(duì)實驗平台的(de)管道施加3~4Hz的(de)敲擊振動,得(de)到的時域與(yǔ)頻域結果如(ru)圖8所示，爲了(le)便于後續的(de)分析與比較(jiào),時域圖顯示(shì)其中1s内的波(bo)形。從結果可(kě)看出,由于振(zhèn)📞動信号的初(chū)始⛷️峰值與☁️旋(xuan)渦信号的幅(fú)值不在同一(yi)量級,FFT分析得(de)到振動信号(hào)對應的尖峰(feng)高于🌈旋渦信(xìn)号,因此,無法(fa)直接得到旋(xuán)渦信号的頻(pin)率對于這種(zhǒng)非平穩信号(hao),可以通過經(jīng)驗模态分解(jiě)(EMD)提取振動信(xin)号對應的本(běn)征模态函數(shù)(IMF),差分處理後(hou)再進行FFT變換(huàn)獲得旋渦信(xin)号頻率。
 
定義(yì)爲IMF的條件有(yǒu)以下2個:
(1)整個(gè)信号中,極值(zhi)點數量必須(xū)與過零點數(shù)量相等💃或⭐差(chà)值爲1;
(2)在任意(yì)時刻,信号極(jí)大值與極小(xiǎo)值包絡的均(jun)值爲零🌈。
　　原始(shǐ)信号x(t)分解過(guo)程爲:首先提(tí)取信号的極(ji)大值與極小(xiao)值,通過三次(cì)樣條插值得(dé)到包絡信号(hao)計算其平均(jun)值mi(t),判斷差值(zhi)hi(t)=x(t)-mi(t)是否爲IMF分量(liang),如果不是,則(ze)将差值作爲(wèi)下一次分✂️解(jie)目标并重複(fu)以上步驟,直(zhi)到得到本征(zhēng)模态函數IMFk(t)。每(měi)次提取IMF後，從(cóng)原始信号中(zhōng)減去對應的(de)本征模态函(han).數,再進行下(xia)一次分解,直(zhi)到最後📧的信(xìn)号中不存在(zai)IMF,最終,原始信(xin)号可以表示(shì)爲
 
式中:n爲IMF的(de)個數;e(t)爲信号(hào)的殘差。
　　上述(shù)信号進行分(fen)解後得到的(de)一階本征模(mo)态函數時域(yù)與頻域結果(guo)如圖9所示。從(cóng)結果可以看(kàn)出,EMD處理🚶後得(dé)😄到的本征模(mo)态函數基本(běn)保留了原有(yǒu)振動信号的(de)所有特征,幅(fú)值較大處對(dui)👣應的頻率基(jī)本--緻。
　　将兩種(zhǒng)信号差分處(chu)理,對應的信(xìn)号時域與頻(pin)域結果如圖(tú)10所示。從結果(guǒ)可以看出,振(zhen)動信号的能(néng)量得到有效(xiao)去🔞除,頻譜圖(tú)基本不存在(zai)高頻振動信(xin)号,計算頻譜(pǔ)圖中尖峰峰(fēng)值對應的頻(pín)率爲54.0Hz,與穩定(dìng)條件💰下的旋(xuan)渦👉信号頻率(lǜ)-緻,證明本方(fāng)案在實🏃🏻際應(ying)用中具有可(ke)行性。
 
4.3流量計(ji)性能測試
　　按(an)照JJG1121-2015《旋進旋渦(wō)流量計》的檢(jian)定要求,對流(liu)量計進行✏️标(biao)定,得到瞬時(shi)流量Q(m3/h)與頻率(lǜ)ƒ(Hz)之間的函數(shu)關系式如下(xia):
 
　　對實驗平台(tai)管道施加3~4Hz的(de)振動信号,在(zai)旋進旋渦流(liú)量計的🔞量程(chéng)内,任取10個流(liu)量點,每個流(liu)量點重複進(jìn)行3次實驗，實(shí)驗結果如表(biǎo)1所示。
 
　　測量誤(wù)差與重複性(xìng)曲線如圖11所(suo)示,低流量區(qū)的最大🐆測量(liang)誤差和重複(fu)性分别爲-0.5%和(he)0.4%,高流量區的(de)最大測量誤(wù)差分别爲-0.9%和(hé)0.24%,根據🔱旋進旋(xuán)渦流量計檢(jiǎn)定規程要求(qiu)♊,低流量🏃‍♀️區8~24m'/h最(zuì)大允許誤差(chà)範圍🔴爲3.0%,重複(fú)性小于1.0%;高流(liú)量區24~120m3/h最大允(yun)許誤差範圍(wéi)爲1.5%,重複性小(xiao)于0.5%。綜合以上(shang)分析😄,所有指(zhǐ)标均在規定(dìng)的範圍内,符(fú)合旋進旋渦(wo)流量計的性(xìng)能要求。
 
5結束(shù)語
　　針對旋進(jin)旋渦流量計(jì)抗千擾能力(lì)差的問題,在(zai)消❌除流體♈脈(mo)動幹擾的條(tiáo)件下,提出了(le)一種基于頻(pín)譜分析的方(fang)🔞法提取旋🥰渦(wō)頻率,分别對(duì)高流量區和(hé)低流量區的(de)振動🐉響應進(jìn)行分析⭐,結合(hé)經驗模态分(fèn)解與FFT方法提(tí)取頻譜中幅(fú)值最大值對(dui)應的頻率，規(guī)避了外部瞬(shun)态沖擊振動(dòng)對旋進旋渦(wo)流量計的影(yǐng)響,實現流量(liang)的準🔞确測量(liàng)。實驗結果表(biǎo)明:該方案得(de)到的測量結(jie)果符合🈲旋進(jin)旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦流量計(ji)😘行業相關标(biao)準，具有較高(gāo)的實用性🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。

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