摘要(yao):針對旋進(jin)旋渦流量(liang)計 抗幹擾(rao)能力差的(de)問題,分析(xi)流量計工(gong)業應用中(zhong)存📱在的💞幹(gan)擾信号,提(ti)出了一種(zhong)基于頻譜(pu)分析的信(xin)号處理方(fang)法。信号采(cai)集電路并(bing)搭建實驗(yan)平台，分别(bie)采集高流(liu)量區和低(di)流量區的(de)瞬态沖擊(ji)振動信号(hao)和🏃🏻旋渦信(xin)号,結合FFT與(yu)經驗模态(tai)分🈲解提取(qu)頻譜中幅(fu)值最大值(zhi)對應的頻(pin)率即爲旋(xuan)渦信号頻(pin)♌率。在管道(dao)受瞬态沖(chong)擊振動的(de)條件下,對(dui)實驗樣機(ji)進行性能(neng)測試,低流(liu)量🏃‍♂️區的測(ce)量誤差和(he)重複性分(fen)别爲-0.5%和0.4%,高(gao)流量區的(de)最大測量(liang)誤🈚差和重(zhong)複性分别(bie)爲-0.9%和0.24%,均符(fu)合相關标(biao)準，實驗結(jie)果表明該(gai)方案可以(yi)有效減小(xiao)外部幹擾(rao)對旋進旋(xuan)🏒渦流量計(ji)測量的影(ying)響。
0引言
　　旋(xuan)進旋渦流(liu)量計屬于(yu)流體振動(dong)流量計,該(gai)流量計利(li)用旋♌渦進(jin)動頻率與(yu)流速成正(zheng)比的原理(li)測量流☂️量(liang)。它具備測(ce)量精度高(gao)、安裝維護(hu)方便和适(shi)應多種介(jie)質等🈲優點(dian)”。由于該類(lei)型流量❄️計(ji)通過檢測(ce)流體振動(dong)獲得流量(liang)值,因此🏃🏻‍♂️,旋(xuan)進旋渦流(liu)量計存在(zai)一個固有(you)缺陷，即抗(kang)千擾能力(li)差。當被測(ce)流體存在(zai)脈動幹擾(rao)或管道受(shou)到瞬态沖(chong)擊振動時(shi),測量系統(tong)的誤差增(zeng)大,造成計(ji)量誤差,最(zui)終影響流(liu)量計的正(zheng)常計數,這(zhe)嚴重制約(yue)了旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的進一🐉步(bu)發展。
　　針對(dui)上述問題(ti)，流體脈動(dong)對旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的影響,得(de)到振蕩流(liu)中旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的響應特(te)性是均勻(yun)流中旋進(jin)旋渦流量(liang)⭐計響應特(te)性和振蕩(dang)流幹擾特(te)性的疊加(jia)這一結論(lun),并利用消(xiao)除流體脈(mo)動幹✔️擾對(dui)流量計測(ce)量的影響(xiang)。在同側沿(yan)軸向安裝(zhuang)2個傳感器(qi),其中一個(ge)傳感器采(cai)集流量和(he)振動的混(hun)合信🈲号,另(ling)一個僅🌈采(cai)☔集振動信(xin)号,兩者進(jin)行差分處(chu)理,消除外(wai)界振🆚動對(dui)流量計的(de)影響,但該(gai)💃🏻方法無法(fa)消除流體(ti)脈動幹擾(rao)對旋💞進旋(xuan)渦流量計(ji)測量的影(ying)響通過改(gai)進檢測元(yuan)件結構增(zeng)強旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的抗幹擾(rao)能力。使用(yong)的壓電傳(chuan)感器中2片(pian)壓電晶體(ti)用于😘檢測(ce)旋渦振動(dong)的頻率,另(ling)外2片用于(yu)檢測機械(xie)振動信号(hao)。4片壓電晶(jing)體并聯進(jin)🐕行工作,通(tong)過對振動(dong)信号🌂進行(hang)差分處理(li),保留旋渦(wo)振動信号(hao)并轉換爲(wei)流量值。
　　綜(zong)上所述,現(xian)有成果多(duo)爲單一因(yin)素對旋進(jin)旋渦流量(liang)🛀計🔞測量☁️的(de)影響,沒有(you)對幹擾因(yin)素綜合分(fen)析;采用改(gai)進傳感器(qi)的⭐方法研(yan)發成本高(gao)、周期長，在(zai)中小企💰業(ye)中推廣難(nan)度大。因此(ci),文章提🏃🏻‍♂️出(chu)了基于頻(pin)譜分析的(de)方法提取(qu)旋渦頻率(lü),分析不同(tong)流量區間(jian)的旋渦信(xin)号與振動(dong)響應信号(hao),在外部存(cun)在幹擾的(de)條件下🏃,可(ke)以實現流(liu)量的正确(que)測量并通(tong)過實驗證(zheng)明了方㊙️案(an)的有效性(xing)。
1旋進旋渦(wo)流量計工(gong)作原理
　　旋(xuan)進旋渦流(liu)量計的工(gong)作原理如(ru)圖1所示流(liu)體進人旋(xuan)進旋渦流(liu)🔞量計後,首(shou)先經過一(yi)組由固定(ding)螺旋葉片(pian)組成的旋(xuan)渦發生體(ti)，使🈚流體強(qiang)制旋轉,形(xing)成旋渦.流(liu)。旋渦流經(jing)收縮段加(jia)❄️速,再經🚶‍♀️擴(kuo)大段急劇(ju)減速，由于(yu)壓力上🌂升(sheng)，産生回流(liu)，在回流的(de)作用下💘旋(xuan)渦的渦核(he)圍繞流量(liang)計軸線作(zuo)旋進運動(dong)刀。旋渦的(de)進動頻💃率(lü)與流量成(cheng)正🏃‍♂️比。假設(she)旋渦進動(dong)頻率爲f,則(ze)瞬時體積(ji)流量Qv符🌏合(he)如下規律(lü):Qv=f/Kv,其中,Kv爲旋(xuan)進旋渦流(liu)量計儀👉表(biao)系數。因此(ci),旋進旋渦(wo)流量計測(ce)量的關鍵(jian)在于正确(que)得到旋渦(wo)進動的頻(pin)率。
 
2信号處(chu)理方法研(yan)究
　　旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的檢測元(yuan)件采集信(xin)号經電路(lu)處理的輸(shu)出信号中(zhong)主要包含(han)旋渦信号(hao)和幹擾信(xin)号🔴,分析☎️并(bing)比較兩種(zhong)信号的區(qu)别,找到差(cha)異性最大(da)的特征，即(ji)可提取旋(xuan)渦頻率，實(shi)現流量的(de)有效測量(liang)。
旋進旋渦(wo)流量計檢(jian)測元件采(cai)集的旋渦(wo)信号可以(yi)近似看作(zuo)正弦信号(hao),在外界無(wu)幹擾情況(kuang)下,流量計(ji)🌈輸出的電(dian)壓信号爲(wei)
 
式中:V0(t)爲輸(shu)出信号轉(zhuan)換得到的(de)電壓值,V;A0爲(wei)正弦信号(hao)的幅值,V;ƒ0爲(wei)旋渦進動(dong)頻率,Hz;φ0爲信(xin)号的相位(wei)。
　　根據三角(jiao)函數傅裏(li)葉變換結(jie)果可知[8],在(zai)上述信号(hao)的單邊頻(pin)譜中,當ƒ=ƒ0時(shi)對應幅值(zhi)最大,因此(ci),可以通過(guo)搜索最值(zhi)的方法反(fan)向确定旋(xuan)渦信号的(de)頻率。
　　在旋(xuan)進旋渦流(liu)量計的實(shi)際應用環(huan)境中,常見(jian)的幹🔞擾🏃🏻‍♂️信(xin)号🏃主要爲(wei)瞬态沖擊(ji)振動和流(liu)體脈沖幹(gan)擾。根據流(liu)體脈動幹(gan)擾信♈号在(zai)🐕沿流量計(ji)軸向對稱(cheng)的方‼️向.上(shang)非👣常接近(jin),旋渦産生(sheng)壓力信号(hao)在對稱位(wei)置上🙇🏻反相(xiang),因此可以(yi)通過差分(fen)處理的方(fang)式基本消(xiao)除流體脈(mo)沖對旋進(jin)旋渦流量(liang)計的影響(xiang)。針對瞬态(tai)沖擊♉振動(dong)信号,在理(li)想狀态下(xia)可以🐕看作(zuo)阻尼振動(dong)信号,通過(guo)檢測元件(jian)采集的電(dian)壓信号可(ke)🐉通過式(2)表(biao)達：
 
　　式中:A1爲(wei)信号的幅(fu)值,V;η爲阻尼(ni)系數;ɷn爲固(gu)有角頻率(lü);ɷd爲振🐇動角(jiao)頻率;φn爲初(chu)始相位。
　　從(cong)式(2)可以看(kan)出,在振動(dong)過程中頻(pin)率始終保(bao)持不變,幅(fu)值不斷減(jian)小至0,因此(ci),在對應的(de)頻譜圖中(zhong),當ƒ=ɷd/(2π)時對應(ying)的幅值🈲最(zui)大🙇🏻。實際環(huan)境中,振動(dong)信号的頻(pin)譜中可🥰能(neng)存在🐇高頻(pin)諧波。
　　綜合(he)以上分析(xi)可以看出(chu),由于旋渦(wo)信号始終(zhong)穩定👈,對應(ying)的能量随(sui)時間不斷(duan)累積,而振(zhen)動信号初(chu)始能量大(da),随時間變(bian)❌化累積量(liang)不斷減少(shao),在兩者初(chu)始幅值基(ji)本相同的(de)情況下,旋(xuan)渦信号的(de)能💞量必大(da)于振動信(xin)号,因☂️此,可(ke)以通過頻(pin)譜分析結(jie)果中的幅(fu)值最🔆大值(zhi)來确定旋(xuan)渦信号的(de)👄頻率,并轉(zhuan)化🐇爲瞬時(shi)流量完成(cheng)測量。
3信号(hao)采集電路(lu)設計
　　爲了(le)驗證上述(shu)信号處理(li)方案的可(ke)行性,需要(yao)采集旋進(jin)旋⛷️渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流🌐量(liang)計的輸出(chu)信号并進(jin)行分析,結(jie)合以上提(ti)出的信号(hao)處理方法(fa)🔞，本文設計(ji)的信号采(cai)集方案如(ru)圖2所示,沿(yan)流量計軸(zhou)向對稱分(fen)别安裝壓(ya)電傳🔞感器(qi)F1和F2,經電荷(he)放大電路(lu)将電荷信(xin)号轉🤞化爲(wei)電壓信号(hao),通過差分(fen)電路處理(li)🐉得到旋渦(wo)進動的電(dian)壓信号,采(cai)用截止頻(pin)率爲1kHz的低(di)通濾波電(dian)路去除其(qi)中的噪聲(sheng),最終輸出(chu)實驗所要(yao)采集的信(xin)号。
 
　　電荷放(fang)大電路具(ju)體原理圖(tu)如圖3所示(shi)，通過反饋(kui)電容C11、C12的👅積(ji)分作用将(jiang)電荷量轉(zhuan)換成電壓(ya)量。電容C13、C14的(de)作用爲去(qu)除輸人🌍的(de)直流分量(liang),由于運算(suan)放大器爲(wei)單☀️電源供(gong)電,在運算(suan)放大器的(de)同㊙️向端輸(shu)人正向的(de)參考電壓(ya)VREF,大小爲電(dian)源電壓的(de)1/2,擡高采集(ji)的電壓使(shi)其位于運(yun)算放大器(qi)的工作電(dian)壓範圍内(nei)。反向端接(jie)人電阻R5、R6的(de)主要🔞作用(yong)是防止反(fan)饋電容長(zhang)時間充電(dian)導緻運算(suan)放大器飽(bao)🐕和。二級管(guan)D1、D2、D3、D4的作用是(shi)防止傳感(gan)器☎️過載産(chan)生較大的(de)輸🆚出,保護(hu)電路。V1、V2爲輸(shu)出的電壓(ya)信号,經過(guo)後續的運(yun)算放大器(qi)差分後進(jin)人低通濾(lü)波電路。
 
4實(shi)驗研究與(yu)結果分析(xi)
4.1實驗平台(tai)搭建
　　旋進(jin)旋渦流量(liang)計實驗平(ping)台示意圖(tu)如圖4所示(shi),主要📱由标(biao)準⛱️裝置、管(guan)道、PCle-6320數據采(cai)集卡、流量(liang)計信号采(cai)集電路和(he)DN50氣體旋進(jin)👣旋渦流量(liang)計實驗樣(yang)機組成。
 
　　實(shi)驗所用的(de)标準裝置(zhi)精度爲0.25級(ji),實驗樣機(ji)的量程爲(wei)8~120m3/h,精👨‍❤️‍👨度爲1.5級(ji),則旋渦進(jin)動頻率大(da)緻範圍爲(wei)45~750Hz。信号采集(ji)由計算✔️機(ji)上的Lab-VIEW軟件(jian)控✉️制數據(ju)采集卡完(wan)成,根據奈(nai)奎斯特采(cai)樣⚽定理,設(she)置信号💔采(cai)樣頻率爲(wei)4kHz,保證采樣(yang)的信号不(bu)失真。另外(wai),爲了減小(xiao)數據處✨理(li)過程中🎯的(de)誤差,提高(gao)✉️頻率分辨(bian)率,設置采(cai)樣時間爲(wei)5s,使用20000個數(shu)據點進行(hang)分析計算(suan)。
4.2信号處理(li)結果分析(xi).
　　由于旋進(jin)旋渦流量(liang)計在不同(tong)流量下對(dui)瞬态沖擊(ji)振動的響(xiang)應不同,同(tong)時,在旋進(jin)旋渦流量(liang)計行業标(biao)準中通過(guo)🍓引人分界(jie)流量🏃🏻‍♂️qt對不(bu)同範圍内(nei)的精度與(yu)🔱重複性做(zuo)了相關規(gui)定,因此,本(ben)🍉文分别對(dui)高流量區(qu)⛹🏻‍♀️和低流量(liang)區的振動(dong)信号響應(ying)進行分析(xi),分界流量(liang)爲量程最(zui)大值的1/5,因(yin)此,取分界(jie)流量qt爲24m3/h。
4.2.1高(gao)流量區信(xin)号處理
　　高(gao)流量區以(yi)流量點41.7m3/h的(de)瞬時流量(liang)信号爲例(li)。在流量穩(wen)定的情🙇‍♀️況(kuang)下完成采(cai)集并去除(chu)信号中的(de)直流分量(liang)并進行處(chu)理,由于對(dui)信号已進(jin)行低通濾(lü)波處理,頻(pin)譜分析得(de)到的結果(guo)中1kHz以上🐪的(de)信号對應(ying)幅值基本(ben)爲0,在圖中(zhong)不做展示(shi),得到的無(wu)振動情況(kuang)下的旋渦(wo)信号的時(shi)🌈域與頻域(yu)結果圖如(ru)圖5所示。從(cong)結果圖中(zhong)均可以看(kan)出,旋渦信(xin)号近似🔞于(yu)正弦信号(hao),與理論分(fen).析相符,信(xin)号頻率即(ji)爲🐅頻譜圖(tu)中尖峰對(dui)應的頻🔞率(lü),通過FFT計算(suan)得到結果(guo)爲258.1Hz。
 
　　對實驗(yan)平台的管(guan)道施加3~4Hz的(de)敲擊振動(dong),得到的時(shi)域🐅與頻域(yu)結果如圖(tu)6所示。從結(jie)果可以看(kan)出,振動信(xin)号🌐的初始(shi)峰值與旋(xuan)渦信号的(de)幅值基本(ben)一緻,同時(shi)兩者的頻(pin)譜圖基本(ben)相同,計算(suan)得到的信(xin)号頻率值(zhi)爲👌257.1Hz,與穩定(ding)狀🔞态下的(de)測量結果(guo)基本--緻。因(yin)此，在高流(liu)量區由于(yu)旋渦㊙️信号(hao)本身的能(neng)量較大,疊(die)加的振動(dong)信号不會(hui)影響旋渦(wo)頻率的測(ce)量結果,可(ke)以直接🌈通(tong)過FFT分析獲(huo)得旋渦頻(pin)率。
 
4.2.2低流量(liang)區信号處(chu)理
　　低流量(liang)區以流量(liang)點9.0m3/h的瞬時(shi)流量信号(hao)爲例,采集(ji)得到的無(wu)☂️振動👅情況(kuang)下的旋渦(wo)信号的時(shi)域與頻譜(pu)圖如圖7所(suo)示,200Hz以上的(de)信🔞号分💔量(liang)基本爲0,未(wei)在結果圖(tu)中🔴展示。從(cong)結果可以(yi)看出,雖然(ran)存在一部(bu)分高頻噪(zao)聲，旋渦信(xin)号的幅值(zhi)有跳動的(de)情況，但仍(reng)然不會影(ying)響流量計(ji)的測量結(jie)果,同高流(liu)量區采用(yong)相同的方(fang)法🤟計算信(xin)号頻率爲(wei)54.0Hz。
 
　　同樣對實(shi)驗平台的(de)管道施加(jia)3~4Hz的敲擊振(zhen)動,得到的(de)時📱域與頻(pin)域🔞結果如(ru)圖8所示，爲(wei)了便于後(hou)續的分析(xi)與比💃較,時(shi)☎️域圖顯示(shi)其中1s内的(de)波形。從結(jie)果可看出(chu),由于振動(dong)信号的初(chu)始♌峰值與(yu)旋渦信😘号(hao)的幅值不(bu)在同一量(liang)級,FFT分析得(de)💋到振動信(xin)🎯号對應的(de)尖峰高于(yu)旋渦信号(hao),因💋此,無法(fa)直接得到(dao)旋渦信号(hao)的頻率對(dui)于這種非(fei)平穩🙇🏻信号(hao),可以通過(guo)經驗模态(tai)分解🤞(EMD)提取(qu)振動信号(hao)對應的🈚本(ben)征模态函(han)數(IMF),差分處(chu)理後再進(jin)行FFT變換獲(huo)得旋渦信(xin)号頻率。
 
定(ding)義爲IMF的條(tiao)件有以下(xia)2個:
(1)整個信(xin)号中,極值(zhi)點數量必(bi)須與過零(ling)點數量相(xiang)等或差值(zhi)🆚爲1;
(2)在任意(yi)時刻,信号(hao)極大值與(yu)極小值包(bao)絡的均值(zhi)爲零✊。
　　原始(shi)信号x(t)分解(jie)過程爲:首(shou)先提取信(xin)号的極大(da)值與極小(xiao)值,通💁過三(san)次樣條插(cha)值得到包(bao)絡信号計(ji)算其平均(jun)值mi(t),判斷差(cha)值hi(t)=x(t)-mi(t)是否爲(wei)IMF分量,如果(guo)不是,則将(jiang)差值作爲(wei)下一次分(fen)解目标并(bing)重複以上(shang)步驟,直到(dao)得到本征(zheng)模态函數(shu)IMFk(t)。每次提取(qu)IMF後，從原始(shi)信号中減(jian)去對✍️應的(de)本征模态(tai)函.數,再進(jin)行下一次(ci)分㊙️解,直到(dao)最後的信(xin)号中不存(cun)在IMF,最終,原(yuan)始信号可(ke)以表示爲(wei)
 
式中:n爲IMF的(de)個數;e(t)爲信(xin)号的殘差(cha)。
　　上述信号(hao)進行分解(jie)後得到的(de)一階本征(zheng)模态函數(shu)時域與💁頻(pin)域結果如(ru)圖9所示。從(cong)結果可以(yi)看出,EMD處理(li)後得到的(de)本征模态(tai)函數💚基本(ben)保留了原(yuan)有振動信(xin)号的所有(you)特征,幅值(zhi)較❄️大處對(dui)應的頻率(lü)基本--緻。
　　将(jiang)兩種信号(hao)差分處理(li),對應的信(xin)号時域與(yu)頻域結果(guo)如圖10所示(shi)。從結果可(ke)以看出,振(zhen)動信号的(de)能量得到(dao)有效去除(chu),頻譜圖基(ji)本不存在(zai)高頻振動(dong)信号,計算(suan)頻譜圖中(zhong)尖峰峰值(zhi)對應的頻(pin)率爲54.0Hz,與穩(wen)定條件下(xia)的旋渦信(xin)号頻率-緻(zhi),證明本方(fang)案在實際(ji)應用中🔞具(ju)有可行性(xing)。
 
4.3流量計性(xing)能測試
　　按(an)照JJG1121-2015《旋進旋(xuan)渦流量計(ji)》的檢定要(yao)求,對流量(liang)計進行标(biao)定✍️,得到瞬(shun)時流量Q(m3/h)與(yu)頻率ƒ(Hz)之間(jian)的函數關(guan)系式如下(xia):
 
　　對實驗平(ping)台管道施(shi)加3~4Hz的振動(dong)信号,在旋(xuan)進旋渦流(liu)量計的⛹🏻‍♀️量(liang)程内,任取(qu)10個流量點(dian),每個流量(liang)點重複進(jin)行3次實驗(yan)，實驗💞結果(guo)如表1所示(shi)。
 
　　測量誤差(cha)與重複性(xing)曲線如圖(tu)11所示,低流(liu)量區的最(zui)大測量誤(wu)差🥵和重複(fu)性分别爲(wei)-0.5%和0.4%,高流量(liang)區的最大(da)測量誤差(cha)分别爲-0.9%和(he)🎯0.24%,根據旋進(jin)旋渦流量(liang)計檢定規(gui)程要求,低(di)流量🔅區8~24m'/h最(zui)大允許誤(wu)差範圍爲(wei)3.0%,重複性小(xiao)🐅于1.0%;高流量(liang)區24~120m3/h最大允(yun)許誤差範(fan)圍爲1.5%,重複(fu)性小于0.5%。綜(zong)合以上分(fen)析,所有指(zhi)标均在規(gui)定的範圍(wei)内,符合旋(xuan)進旋渦流(liu)量計的性(xing)能要求。
 
5結(jie)束語
　　針對(dui)旋進旋渦(wo)流量計抗(kang)千擾能力(li)差的問題(ti),在消除流(liu)💋體💛脈動幹(gan)擾的條件(jian)下,提出了(le)一種基于(yu)頻譜分析(xi)的方法提(ti)取旋渦頻(pin)率,分别對(dui)高流量區(qu)和低流量(liang)區的振動(dong)響應進行(hang)分析,結合(he)經驗模态(tai)分解與FFT方(fang)法提🈚取頻(pin)譜中幅值(zhi)最大❌值對(dui)應的頻率(lü)，規避了外(wai)部瞬态沖(chong)擊振動對(dui)旋進旋渦(wo)流量計的(de)影響,實現(xian)流量的♈準(zhun)确測量。實(shi)驗結果表(biao)明:該方案(an)得到的測(ce)量結果符(fu)合旋進旋(xuan)渦流量計(ji)行業相關(guan)标準，具有(you)較高的實(shi)用性🙇‍♀️。

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