摘要(yao):針對旋進旋(xuan)渦流量計 抗(kàng)幹擾能力差(chà)的問題,分析(xī)流量計工業(ye)應用中存在(zài)的幹擾信号(hao),提出了一種(zhǒng)基于頻譜分(fèn)析的信号處(chu)理方法。信号(hao)采集🧡電路并(bìng)搭建實驗平(ping)台，分别采集(jí)高流量區和(hé)低流量區的(de)瞬态沖擊振(zhèn)動信号和🧑🏾‍🤝‍🧑🏼旋(xuán)渦信号,結合(he)FFT與經驗模态(tài)分☔解提取頻(pín)譜中幅值最(zuì)大值對應的(de)頻率即爲旋(xuán)渦信号頻率(lü)。在管道受🆚瞬(shùn)态沖擊振動(dong)的條件下,對(duì)實驗樣機進(jìn)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(liàng)區的最大測(cè)量誤差和重(zhòng)複性分别爲(wèi)-0.9%和0.24%,均符合相(xiang)關标準，實驗(yàn)結果表明該(gai)方案可以有(you)效減🔴小外部(bù)幹擾對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的影響(xiǎng)。
0引言
　　旋進旋(xuán)渦流量計屬(shǔ)于流體振動(dòng)流量計,該流(liú)量計利用旋(xuan)🌍渦💋進動頻率(lǜ)與流速成正(zhèng)比的原理測(cè)量流🔱量。它具(jù)備測量精度(du)📞高、安裝維護(hù)方便和适應(yīng)多種介質等(děng)優點”。由于該(gai)類型流量計(ji)通過檢測流(liú)體振動獲得(dé)流✔️量值,因此(ci),旋進旋渦流(liú)量計存在一(yī)個固🐕有缺陷(xian)，即抗千擾能(néng)力差。當被測(cè)流體存在脈(mò)動幹擾或管(guǎn)道受👈到瞬态(tai)沖擊振動時(shi),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(cháng)計數,這嚴重(zhong)制約了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的進🈲一步發(fā)展。
　　針對上述(shù)問題，流體脈(mò)動對旋進旋(xuan)渦流量計的(de)影🏒響,得到振(zhèn)🈲蕩流中旋進(jin)旋渦流量計(ji)的響應特性(xìng)是均勻流中(zhong)旋進旋渦流(liú)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(xiāo)除流體脈動(dong)幹擾對流量(liang)計測量的影(ying)響。在同側沿(yan)軸向安裝2個(gè)傳🏃‍♀️感器,其中(zhong)一個傳感器(qi)采集流量和(he)振動的混合(he)信号,另一個(ge)僅采集振動(dòng)信号,兩者進(jin)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(dòng)幹擾對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的影響(xiang)通♉過改進檢(jiǎn)測元件結構(gou)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(piàn)壓電晶體用(yòng)于♊檢測旋渦(wo)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(lián)進行工作,通(tong)過對振動信(xin)号進行差分(fèn)👨‍❤️‍👨處理,保留旋(xuán)渦振動信☔号(hào)并轉換爲流(liu)量值。
　　綜上所(suǒ)述,現有成果(guǒ)多爲單一因(yīn)素對旋進旋(xuán)渦流量計測(ce)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(fa)研發成本高(gāo)、周期長，在中(zhong)小企業中推(tui)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(tóng)流量區間的(de)旋渦💯信号與(yu)振動響應信(xìn)号,在外部存(cun)在幹擾的條(tiáo)件下㊙️,可以實(shi)現流量的正(zhèng)确測量并通(tōng)過實驗證明(míng)了方✉️案的有(you)效性。
1旋進旋(xuán)渦流量計工(gōng)作原理
　　旋進(jìn)旋渦流量計(ji)的工作原理(li)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(dìng)螺旋葉✔️片組(zǔ)成的⭐旋渦發(fā)生體，使流體(tǐ)強制旋轉,形(xíng)成旋渦🧡.流。旋(xuan)渦流經收縮(suo)段加速,再經(jīng)擴大段急劇(jù)減速，由于壓(yā)力上升，産生(shēng)回流，在回流(liú)的作用下旋(xuán)渦的渦核圍(wei)繞流量計軸(zhóu)線作旋進運(yùn)動刀。旋渦的(de)進動頻❗率與(yu)流量成☎️正比(bi)。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(liu)量計儀表系(xì)數。因此,旋進(jìn)旋渦流量計(ji)測量的關鍵(jian)在于正确得(dé)到旋渦進動(dòng)的頻率。
 
2信号(hào)處理方法研(yán)究
　　旋進旋渦(wō)流量計的檢(jian)測元件采集(ji)信号經電路(lu)處理的輸出(chu)信号中主要(yào)包含旋渦信(xin)号和幹擾信(xin)号,分析并比(bi)較兩📧種信号(hao)的區别,找到(dào)差異性最大(da)的特征，即🌏可(kě)提取🤩旋渦頻(pin)率，實現流量(liàng)的🐕有效測量(liàng)。
旋進旋渦流(liu)量計檢測元(yuán)件采集的旋(xuan)渦信号可以(yi)🙇🏻近似看作🤞正(zheng)弦信号,在外(wài)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(hào)轉換得到的(de)電壓值,V;A0爲正(zheng)弦信号🏃🏻‍♂️的幅(fú)💘值,V;ƒ0爲✂️旋渦進(jìn)動頻率,Hz;φ0爲信(xìn)号的相位。
　　根(gēn)據三角函數(shu)傅裏葉變換(huan)結果可知[8],在(zài)上述信号的(de)單邊頻譜中(zhōng),當ƒ=ƒ0時對應幅(fú)值最大,因此(cǐ),可以通過搜(sōu)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(jì)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(gàn)擾。根據流體(tǐ)脈動幹擾信(xin)号在🏃🏻沿流量(liàng)計軸向對稱(cheng)的方向.上非(fei)常接近,旋渦(wo)産生壓力信(xin)号在對稱位(wèi)置上反相,因(yīn)此可以通過(guo)差分處理的(de)方式基本消(xiao)除流🛀體脈沖(chong)對旋進旋渦(wō)流量🐅計的影(yǐng)響。針🔴對瞬态(tài)沖擊振動信(xin)号,在理想狀(zhuang)态下可以看(kan)作阻尼振動(dòng)🌈信号,通過檢(jiǎn)測💯元件采集(ji)的電壓信号(hao)可通過式(2)表(biao)達：
 
　　式中:A1爲信(xin)号的幅值,V;η爲(wèi)阻尼系數;ɷn爲(wei)固有角頻率(lǜ);ɷd爲振動角🐇頻(pín)率;φn爲初始相(xiàng)位。
　　從式(2)可以(yi)看出,在振動(dòng)過程中頻率(lǜ)始終保持不(bú)變,幅值不斷(duàn)減小至0,因此(ci),在對應的頻(pín)譜圖中,當ƒ=ɷd/(2π)時(shí)對應的幅值(zhí)最大。實際👈環(huan)境💃中,振動信(xin)号的頻譜中(zhong)可能存在高(gao)頻諧波。
　　綜合(he)以上分析可(ke)以看出,由于(yu)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(hào)初始能量大(dà),随時間變化(hua)累🐉積量不斷(duan)減少,在兩者(zhě)初始幅值基(ji)本相同的情(qíng)況下,旋渦信(xìn)号的能量必(bi)大于振動信(xìn)号,因此,可以(yi)通🔞過頻譜分(fen)析結果中的(de)幅值最☀️大值(zhí)來确定旋渦(wo)信号的頻率(lǜ),并轉化爲瞬(shun)時流量完成(cheng)測量。
3信号采(cǎi)集電路設計(ji)
　　爲了驗證上(shàng)述信号處理(lǐ)方案的可行(hang)性,需要采集(ji)旋✏️進旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦流(liu)量計的輸出(chū)信号并進行(hang)分析,結合以(yi)上提出的信(xìn)号處理方法(fǎ)🈲，本文設計的(de)信号采集方(fāng)案如圖♋2所示(shi),沿流量計軸(zhou)向對🔅稱分别(bie)安裝壓電傳(chuan)感器F1和F2,經電(diàn)荷放大👈電路(lù)将電荷信号(hào)轉化爲電壓(yā)🤞信号,通過差(chà)分電路處理(lǐ)得到旋渦進(jin)動的電壓信(xin)号,采用截止(zhǐ)頻🥰率爲1kHz的低(dī)通濾波電路(lù)去除其㊙️中的(de)噪聲,最終輸(shu)出實驗所要(yào)采集的信🍉号(hào)。
 
　　電荷放大電(dian)路具體原理(lǐ)圖如圖3所示(shi)，通過反饋電(dian)容C11、C12的積分💋作(zuo)用将電荷量(liàng)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(dān)電源供電,在(zai)運☀️算放大器(qì)的同向端輸(shu)人正向的參(can)🐪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(fang)大器的工作(zuò)電壓範圍内(nèi)。反向端接人(rén)電阻R5、R6的主要(yào)✌️作🔴用是防止(zhǐ)反饋電容長(zhǎng)時間充電導(dao)緻運算放大(da)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(jiào)大的輸出,保(bǎo)護電路。V1、V2爲輸(shu)出的電壓信(xìn)号,經過後續(xu)的運算放大(dà)器差分後進(jìn)人低通😍濾波(bō)♋電路。
 
4實驗研(yan)究與結果分(fen)析
4.1實驗平台(tái)搭建
　　旋進旋(xuán)渦流量計實(shi)驗平台示意(yì)圖如圖4所示(shì),主要由标準(zhun)裝置、管道、PCle-6320數(shù)據采集卡、流(liú)量計信号采(cǎi)集電路和DN50氣(qi)體🐆旋進旋渦(wō)流量計實驗(yan)樣機組成。
 
　　實(shí)驗所用的标(biao)準裝置精度(dù)爲0.25級,實驗樣(yang)機的量程爲(wei)🌈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(kǎ)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(shi)真。另外,爲了(le)減小數據處(chu)理過程中♋的(de)誤差,提高🤟頻(pin)率分辨率❄️,設(shè)置采樣時🆚間(jian)爲5s,使用20000個數(shù)據點進行分(fèn)✉️析計算。
4.2信号(hào)處理結果分(fèn)析.
　　由于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在不同流量(liang)下對瞬态沖(chòng)擊🔴振動的🐅響(xiǎng)應不同,同時(shi),在旋進旋渦(wō)流量計行業(yè)标準中通過(guò)引人分界流(liu)量❗qt對不同範(fan)圍内的精度(du)與重複性做(zuo)了相關規定(dìng),因此,本文分(fen)别對高流量(liang)區和低流量(liang)區的振動信(xìn)号響應進行(hang)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(liang)qt爲24m3/h。
4.2.1高流量區(qu)信号處理
　　高(gāo)流量區以流(liú)量點41.7m3/h的瞬時(shi)流量信号爲(wèi)例。在流量穩(wěn)定的情況下(xià)完成采集并(bìng)去除信号中(zhong)的直流分⚽量(liàng)并進行處理(lǐ),由于對信号(hào)已進行低通(tōng)濾波處理,頻(pín)譜分析得到(dao)的結果中1kHz以(yǐ)上的信号對(dui)應幅值基本(ben)爲0,在圖中不(bu)做展示,得到(dào)的無振動情(qíng)況下的旋渦(wō)信号的時域(yù)與頻域結果(guo)圖如圖5所示(shì)。從結果圖中(zhong)均可以看出(chu),旋渦信号近(jin)似于正弦信(xìn)号,與理論分(fèn).析相符,信号(hao)頻率即爲🌈頻(pin)譜圖中尖峰(feng)對應的頻率(lü),通過FFT計算得(dé)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(dé)到的時域🤞與(yu)頻域結🏒果☔如(ru)圖6所示。從結(jie)果可以看出(chū),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(jī)本相同⁉️,計算(suàn)得到的信📐号(hao)頻率值爲257.1Hz,與(yu)穩定狀态下(xia)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(néng)量較大,疊加(jiā)的振動信号(hao)不會影響旋(xuan)渦頻率的測(ce)量結果,可以(yi)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(lǐ)
　　低流量區以(yi)流量點9.0m3/h的瞬(shùn)時流量信号(hao)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(fèn)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(bù)分高頻噪聲(shēng)，旋渦信号的(de)幅值有跳動(dòng)的情況，但仍(réng)然不會影響(xiang)😄流量計的測(ce)量結果,同高(gao)‼️流量區采用(yong)相同的方法(fa)🌂計算信号頻(pín)率爲54.0Hz。
 
　　同樣對(dui)實驗平台的(de)管道施加3~4Hz的(de)敲擊振動,得(dé)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(ke)看出,由于振(zhen)動信号的初(chu)始峰值與🙇‍♀️旋(xuán)渦信号的幅(fu)值不在同一(yi)量級,FFT分析得(dé)到振動信号(hào)對應的尖峰(fēng)高于旋渦信(xìn)号,因㊙️此,無法(fa)直接得到旋(xuán)渦信号的頻(pín)率對于這種(zhǒng)非平👅穩信号(hao),可以通過經(jing)驗模态分解(jie)🛀🏻(EMD)提取振動信(xin)号🈚對應的🌂本(ben)征模态函數(shu)(IMF),差分處理後(hou)再進行FFT變換(huan)獲得旋渦信(xin)🌈号頻率。
 
定義(yi)爲IMF的條件有(you)以下2個:
(1)整個(ge)信号中,極值(zhi)點數量必須(xu)與過零點數(shu)量相等或🌏差(chà)值爲1;
(2)在任意(yì)時刻,信号極(ji)大值與極小(xiao)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(hào)計算其平均(jun1)💛值mi(t),判💁斷差值(zhí)hi(t)=x(t)-mi(t)是㊙️否爲IMF分量(liàng),如果不是,則(zé)将差值作爲(wei)下💯一次分🏃🏻解(jiě)目标并重複(fu)以上步驟,直(zhí)到得到本征(zheng)模态🈚函數IMFk(t)。每(měi)次提取IMF後，從(cong)👉原始信号中(zhōng)減去對🆚應的(de)本征模态函(han).數,再進行下(xià)一次分解,直(zhí)到最後的信(xin)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(hao)的殘差。
　　上述(shu)信号進行分(fen)解後得到的(de)一階本征模(mó)态函數時域(yù)與🚩頻域結果(guǒ)如圖9所示。從(cong)結果可以看(kàn)出,EMD處理後得(dé)到的本征模(mo)态💰函數基本(ben)保留了原有(yǒu)振動信号的(de)所有特征,幅(fu)值較大處對(dui)應的頻率基(jī)本--緻。
　　将兩種(zhong)信号差分處(chù)理,對應的信(xin)号時域與頻(pín)域結果❤️如圖(tu)10所示💯。從結果(guǒ)可以看出,振(zhen)動信号的能(néng)量得到有效(xiào)去除,頻🎯譜圖(tú)🔆基本不存在(zài)高頻振動信(xin)号,計算頻譜(pǔ)圖中尖峰峰(feng)值🛀對應的頻(pin)率爲54.0Hz,與穩定(dìng)條件下的旋(xuan)渦信号頻率(lü)-緻,證明本方(fāng)案在實際應(ying)用中具有可(kě)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(jiǎn)定要求,對流(liú)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(shù)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(zài)旋進旋渦流(liu)量計的量💋程(cheng)✊内,任取10個流(liu)量點,每個流(liu)量點重複進(jin)行3次實驗，實(shí)驗結果如表(biao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻1所示。
 
　　測量誤(wu)差與重複性(xìng)曲線如圖11所(suǒ)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(hé)0.4%,高流量區的(de)最大🙇‍♀️測量💁誤(wu)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(zui)大允許誤差(cha)範圍爲3.0%,重複(fu)性小于1.0%;高流(liu)量區24~120m3/h最大允(yǔn)許誤差範圍(wei)爲1.5%,重複性小(xiǎo)于0.5%。綜合以上(shàng)分析,所有指(zhǐ)标均在規定(ding)的範圍内,符(fú)合旋進旋渦(wō)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(tiao)件下,提出了(le)一種基于頻(pín)譜🌈分析🍓的方(fāng)法提🏃🏻‍♂️取旋渦(wō)頻率,分别對(dui)高流量區和(hé)低流量區的(de)振動㊙️響應進(jin)行分析,結合(he)經驗模态分(fen)解與FFT方法提(ti)取頻譜中幅(fu)值最大值對(dui)應的頻率，規(gui)避😘了外部瞬(shùn)态沖擊振動(dòng)對旋進旋渦(wo)流量計的影(ying)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(jìn)旋✂️渦流量計(ji)行業相關标(biāo)準，具有較高(gao)的實用性🤟。

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