調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)之信號(hào)處理
核心提示：以上海惠高閥門制造有限公司開發(fā)生產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，通過在閥座節(jié)流斷面處、閥芯頭部等閥體內(nèi)各關(guān)鍵部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)，利用微小型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器及其采集系統(tǒng)，進(jìn)行多種工況和多個(gè)方位的試驗(yàn)研究，對(duì)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，探討由于閥內(nèi)氣體流動(dòng)引發(fā)的閥門工作的穩(wěn)定性。
1 概述
調(diào)節(jié)閥屬典型的機(jī)械或機(jī)電類產(chǎn)品，但它跟手動(dòng)的閥的zui大區(qū)別在于其結(jié)合了現(xiàn)代信息技術(shù)后可通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大地增強(qiáng)了調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中的重要地位。調(diào)節(jié)閥的主要功能是通過改變通流部分的面積進(jìn)而改變閥后壓力、溫度、流量等參數(shù)以適應(yīng)不同工況的需要。在某些工況，調(diào)節(jié)閥內(nèi)可能由于流體流動(dòng)強(qiáng)烈的非定常性而影響閥門工作的穩(wěn)定性，甚至引起閥門的振動(dòng)。僅就調(diào)節(jié)閥門安全性而言，閥桿振動(dòng)和斷裂等事故曾經(jīng)發(fā)生。這些現(xiàn)象基本上與流體誘發(fā)的閥門不穩(wěn)定有關(guān)，即調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體（液體）流動(dòng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致閥門的振動(dòng)，其中閥桿-閥芯的振動(dòng)表現(xiàn)比較明顯。本文試驗(yàn)利用微小型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感及其采集系統(tǒng)，對(duì)引起調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)或不穩(wěn)定的工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析，通過動(dòng)態(tài)壓力變化和閥桿振動(dòng)特性測(cè)試及相應(yīng)的結(jié)果，研究閥內(nèi)流場(chǎng)對(duì)閥門工作穩(wěn)定性的影響。
2 調(diào)節(jié)閥模型及其試驗(yàn)系統(tǒng)
調(diào)節(jié)閥的型腔復(fù)雜，流程曲折（圖1），試驗(yàn)是在不同壓比和相對(duì)升程下進(jìn)行的。
圖1 調(diào)節(jié)閥模型及部分動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)位置
壓比定義為
ε=P1/P0
式中：P1—閥后壓力，Mpa
P0—閥前壓力，Mpa
相對(duì)升程定義為
L（相對(duì)） = L/Dn
式中：L —調(diào)節(jié)閥的閥桿提升高度，mm
Dn—閥芯-閥座間的配合直徑，mm
在閥桿升程較大或全開工況，閥內(nèi)zui小通道是閥座的節(jié)流斷面處。如果閥桿升程較小，閥芯和閥座形成的環(huán)形通道面積也可能小于閥座節(jié)流斷面處的通流面積。一般將閥芯和閥座上部形成的環(huán)形通道稱為*個(gè)噴管通道，在升程很小時(shí)環(huán)形通道的面積是zui小通道。將閥座稱為第二個(gè)噴管通道，其節(jié)流斷面處是第二個(gè)噴管通道中面積zui小處。
為了全面認(rèn)識(shí)閥門內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)特性，在閥腔進(jìn)口、閥腔頂端、閥座節(jié)流斷面處、閥座漸擴(kuò)段和閥芯頭部等部位設(shè)置了測(cè)點(diǎn)，還在閥座節(jié)流斷面處和閥芯頭部布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過對(duì)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，進(jìn)行各點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的關(guān)聯(lián)分析，可以得出在不同工作條件下閥內(nèi)流動(dòng)特性。
試驗(yàn)系統(tǒng)（圖2）所用介質(zhì)為空氣。為使進(jìn)口氣流均勻性較好，由高壓氣源來的空氣經(jīng)過擴(kuò)壓段、穩(wěn)壓段、收斂段后進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，氣流經(jīng)閥芯和閥座間的環(huán)形通道后流入閥座，經(jīng)閥座漸擴(kuò)段壓后進(jìn)入排氣管道，將排氣管道引入地下排氣口后排出室外，以降低噪音。氣流進(jìn)口和出口方向成90°。試驗(yàn)中氣體流量、壓力和溫度均有專門的測(cè)量管段。
1 進(jìn)氣閥 2 壓縮機(jī) 3 出氣閥 4 壓力表 5 溫度計(jì) 6 旁通閥 7 流量計(jì) 8 擴(kuò)壓段
9 穩(wěn)壓段 10 收斂段 11 動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng) 12 動(dòng)態(tài)信號(hào)放大器 13 閥桿 14 閥芯 15 絲網(wǎng)層
圖2 試驗(yàn)原理圖
3 動(dòng)態(tài)壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3.1 微小型動(dòng)態(tài)壓力傳感器
為了盡可能減小接觸測(cè)量對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流暢的干擾，采用了美國(guó)Kulite傳感器公司生產(chǎn)的壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器。該傳感器集成硅敏感元件，并采用光刻法制成微小尺寸，從而使傳感器具有很高的固有頻率，低遲滯和優(yōu)良的熱性能和環(huán)境性能，*的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，并且牢固耐用。試驗(yàn)選用的是XCQ-062系列，傳感器直徑Φ=1.6mm，長(zhǎng)度L=12mm，工作溫度范圍為-55～204℃，固有頻率為330～500KHz，測(cè)量精度為滿量程的0.1%。被測(cè)介質(zhì)為非導(dǎo)電性、無(wú)腐蝕性的液體和氣體。由于傳感器微小，試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)和制造了專門的緊固裝置，以便于安裝和拆卸。
壓力傳感器在標(biāo)定時(shí)，校準(zhǔn)的方法一般包括靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，而且應(yīng)該先進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)以確定傳感器是線性的，然后才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。但是要給出一些標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)壓力是比較困難的，所以目前對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量，一般仍采用靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)驗(yàn)表明，只有整個(gè)測(cè)壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率足夠高，采用靜態(tài)標(biāo)定過的測(cè)壓系統(tǒng)來測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，結(jié)果有足夠的精度。本文試驗(yàn)采用了測(cè)壓范圍為0～0.35MPa和0～0.17MPa兩種傳感器，滿量程輸出為100mV，這2種微小型動(dòng)態(tài)壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。
圖3 壓力傳感器的輸出特性
3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
高頻動(dòng)態(tài)采集和分析系統(tǒng)可以進(jìn)行多通道并行動(dòng)態(tài)采集、具有高速、大容量和瞬態(tài)數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)，是集測(cè)量、分析和結(jié)果輸出為一體的高性能綜合性測(cè)量系統(tǒng)。它具有高度穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì)和儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)良的硬件和軟件模塊化特性，可方便的應(yīng)用于瞬態(tài)采集和動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)紀(jì)錄等測(cè)試領(lǐng)域，同時(shí)可作并行多通道數(shù)據(jù)采集。各采集通道把數(shù)據(jù)分別存入各自的緩沖器中，內(nèi)部計(jì)算機(jī)通過統(tǒng)一的總線處理這些數(shù)據(jù)（圖4）。
圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試分析原理
由于各個(gè)通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會(huì)因?yàn)橥ǖ罃U(kuò)展而使zui高采集率下降或儲(chǔ)存深度下降，整個(gè)采樣通道是并行進(jìn)行的，因而可以不考慮通道間的時(shí)差。它的基本工作方式是按采集、處理、再采集和再處理的順序進(jìn)行工作。動(dòng)態(tài)分析時(shí)，主要是利用它較深的緩沖器儲(chǔ)存足夠的數(shù)據(jù)以供處理之用。系統(tǒng)zui高采樣率為1.25MPa、采樣精度為12bit，能夠及時(shí)響應(yīng)閥內(nèi)非定常流動(dòng)的參數(shù)及其變化。
3.3 壓力信號(hào)調(diào)節(jié)儀
壓力信號(hào)調(diào)節(jié)儀是一種對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的儀表，通過調(diào)節(jié)zui后獲得的輸出信號(hào)可供顯示與數(shù)據(jù)采集，在試驗(yàn)中作為高頻動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)的前置放大器使用。調(diào)節(jié)儀主要由壓力傳感器、傳感器供電電源、測(cè)量?jī)x用放大器、限波線路以及整機(jī)供電電源5部分組成，可同時(shí)對(duì)12路壓力信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，不僅可以滿足對(duì)于不同型號(hào)的壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行的調(diào)理，同時(shí)還可以對(duì)其他的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。為減小工頻交流信號(hào)的干擾，其輸出部分設(shè)有限波線路，其限波頻率為50±5Hz，因此大大提高了整個(gè)調(diào)節(jié)電路的抗干擾能力。
微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器將感受的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量信號(hào)先經(jīng)過高頻前置放大器將mV級(jí)信號(hào)放大，然后輸入高頻動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)快速并行采集并存儲(chǔ)。再經(jīng)過各種時(shí)域、頻域和濾波信號(hào)處理得到真正的有用信號(hào)，zui終繪制出其特征曲線、進(jìn)而得到閥內(nèi)非定常流動(dòng)特性。
4 靜態(tài)壓力測(cè)量采集和頻譜分析
4.1 表態(tài)壓力測(cè)量及其采集系統(tǒng)
靜態(tài)壓力測(cè)量及其采集系統(tǒng)由3051CD-BC智能型壓力變送器、1151系列壓力變送器、35951C數(shù)據(jù)采集板和35954B數(shù)據(jù)采集接口板以及計(jì)算機(jī)組合而成，在試驗(yàn)中主要進(jìn)行調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口流量和靜態(tài)壓力等參數(shù)的測(cè)量。由于采用實(shí)時(shí)采集，使壓力等參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)能及進(jìn)得到時(shí)均值，減小了測(cè)量誤差。
4.2 頻譜分析
頻譜分析分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、顯示器、信號(hào)放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件等構(gòu)成。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，將零件在外力沖擊作用后的振動(dòng)特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，獲得振動(dòng)信號(hào)的各階諧波頻率，即可得到的各階自振頻率。由于調(diào)節(jié)閥振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為閥桿—閥芯的振動(dòng)，所以試驗(yàn)中利用頻譜分析系統(tǒng)進(jìn)行閥桿-閥芯振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析。
5 動(dòng)態(tài)信號(hào)處理
調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)具有典型的非定特性，動(dòng)態(tài)測(cè)量能夠準(zhǔn)確及時(shí)地確定其內(nèi)部流場(chǎng)的瞬時(shí)什及其隨時(shí)間而變化的量值。動(dòng)態(tài)測(cè)試中數(shù)據(jù)處理分析內(nèi)容廣泛，涉及的問題很多，必須得到真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)果，以便找出規(guī)律，其中頻譜分析和波形分析就是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理中zui重要的和zui基本的方法。頻譜分析和波形分析既相互獨(dú)立又密切相關(guān)，它們之間有明顯的區(qū)別，通過傅立葉變換可以相互轉(zhuǎn)換。頻譜和波形分析與隨機(jī)數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)成為信號(hào)分析中zui常用的方法。
6 結(jié)語(yǔ)
將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)合起來分析研究，可以得出結(jié)論：
（1）由于研制和使用了整套研究調(diào)節(jié)閥工作穩(wěn)定性的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)閥高頻動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)、微小型壓阻式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器等測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，可以研究閥體內(nèi)液體誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理。
（2）試驗(yàn)中，將微小傳感器直接插入閥座節(jié)流斷面處和閥芯頭部等閥體內(nèi)的各關(guān)鍵部位，利用高頻動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)進(jìn)行多工況范圍和多方位的測(cè)量。對(duì)閥內(nèi)高頻動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用頻譜分析和相關(guān)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，該方法簡(jiǎn)便，實(shí)用，可靠。
（3）試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)閥的閥桿-閥芯的振動(dòng)具有復(fù)雜的成因及形式，與閥內(nèi)非定常氣體流動(dòng)的脈動(dòng)有關(guān)。從振型分，有平行與垂直來流兩個(gè)方向的橫向振動(dòng)和軸向振動(dòng)。從振動(dòng)性質(zhì)分，有共振和強(qiáng)迫振動(dòng)。從引起振動(dòng)的因素分，有旋渦脫落誘發(fā)的振動(dòng)等，以及這些不同性質(zhì)振動(dòng)的組合。
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