摘要:針對(dui)旋進旋渦(wo)流量計 抗(kàng)幹擾能力(li)差的問題(ti),分析流量(liàng)計工業應(yīng)用中存在(zai)的幹擾信(xìn)号,提出了(le)一種基于(yu)頻譜分析(xi)的信号處(chu)理方法。信(xìn)号采集電(diàn)路👣并搭建(jian)實驗平台(tái)，分别采集(jí)高流量區(qū)和低流量(liàng)區的瞬🔞态(tai)沖擊振動(dong)信号和🌈旋(xuán)渦信号,結(jie)合FFT與經驗(yàn)模态分解(jiě)提取頻譜(pǔ)中幅值最(zui)大值對應(ying)❤️的頻率即(jí)爲旋渦信(xin)号頻率。在(zai)管道受瞬(shùn)态沖擊振(zhen)動的條件(jian)下,對實💋驗(yàn)樣機進行(hang)性能測🚩試(shì),低流量區(qu)的測🛀🏻量誤(wù)差❗和重複(fú)性👣分别爲(wèi)-0.5%和0.4%,高流量(liàng)區的最大(da)測量誤差(chà)和重複性(xìng)分别爲-0.9%和(he)0.24%,均符合💃🏻相(xiang)關标準，實(shi)驗結果表(biao)明該方案(an)可以有效(xiào)減小外部(bu)幹擾對旋(xuan)進旋渦流(liú)量計測量(liang)的影響🧡。
0引(yǐn)言
　　旋進旋(xuán)渦流量計(ji)屬于流體(tǐ)振動流量(liang)計,該流量(liàng)計利用🌈旋(xuan)渦進動頻(pín)率與流速(su)成正比的(de)原理測量(liàng)流量。它具(jù)備測量精(jing)度高、安✏️裝(zhuāng)維護方便(bian)和适應多(duo)種☀️介質等(deng)優點”。由于(yu)該類型流(liu)量計通過(guo)檢測流體(tǐ)振動獲得(de)流量值,因(yin)此🙇‍♀️,旋進旋(xuán)渦流量計(ji)存在一個(ge)固有缺陷(xiàn)，即抗千擾(rao)能力差。當(dang)被測流體(tǐ)存在脈動(dòng)幹擾或管(guǎn)道受到瞬(shùn)态沖擊振(zhen)動時,測量(liàng)系統的誤(wu)差⁉️增大,造(zao)成計量誤(wù)差,最終🚶影(yǐng)響流量計(ji)的正常計(ji)數,這嚴重(zhong)制約了旋(xuán)進🔴旋渦流(liu)量計的進(jin)一步發展(zhǎn)。
　　針對上述(shu)問題，流體(ti)脈動對旋(xuán)進旋渦流(liu)量計的影(yǐng)響,得到😘振(zhen)💁蕩流中旋(xuán)進旋渦流(liu)量計的響(xiǎng)應特性是(shì)均勻流中(zhōng)旋進旋渦(wō)流量計響(xiǎng)應特性和(hé)振蕩流幹(gàn)擾特性的(de)疊加這一(yī)結論,并利(li)用消除🔅流(liu)體脈動幹(gan)㊙️擾對流量(liang)計測量的(de)影響。在同(tóng)側沿軸向(xiàng)安裝2個傳(chuan)感器,其中(zhōng)一個傳感(gǎn)器采集流(liú)量和振👅動(dong)的混合信(xìn)号,另一個(ge)僅⭕采集振(zhèn)動信号,兩(liang)者進行差(cha)分處理,消(xiāo)☔除外界振(zhen)動對流量(liàng)計的影響(xiǎng),但該方法(fa)無法消除(chu)流體脈動(dong)幹擾對旋(xuan)進旋渦流(liu)量計測量(liàng)的影響通(tong)過改進檢(jiǎn)測元件結(jié)構增強旋(xuán)進旋渦流(liú)量計的抗(kang)幹擾能力(li)。使用的壓(ya)電傳感器(qì)中2片壓電(dian)晶體用于(yu)檢測旋渦(wō)振✌️動的頻(pín)率,另外🧑🏾‍🤝‍🧑🏼2片(pian)用于檢測(ce)機械振動(dong)信号。4片壓(yā)電晶體并(bing)聯進行工(gong)作,通過對(dui)振動信号(hào)㊙️進行差分(fen)處理,保留(liú)旋渦振動(dong)信号并轉(zhuǎn)換爲流量(liang)值。
　　綜上所(suo)述,現有成(cheng)果多爲單(dān)一因素對(duì)旋進旋渦(wo)流量計測(ce)量的影響(xiang),沒有對幹(gàn)擾因素綜(zong)合分析;采(cai)用改進傳(chuán)感器的方(fang)法研發成(cheng)本高、周期(qi)長，在中小(xiao)企業中推(tui)🌍廣難度大(dà)。因此🌂,文章(zhang)提出了基(ji)于頻譜分(fen)析的方法(fǎ)提取旋渦(wo)頻率,分析(xī)不同流量(liang)區間的旋(xuan)渦信号與(yu)振動🌈響應(ying)信号,在外(wài)部存在幹(gàn)擾的條件(jian)下,可以實(shí)現流量的(de)正确測量(liang)并通過實(shí)驗證明了(le)方🔞案的有(yǒu)效❗性。
1旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計工作原(yuan)理
　　旋進旋(xuán)渦流量計(jì)的工作原(yuan)理如圖1所(suo)示流體進(jìn)人旋進旋(xuán)🧡渦流量計(ji)後,首先經(jing)過一組由(yóu)固定螺旋(xuan)葉🐪片組💚成(cheng)的旋渦發(fa)生體，使流(liú)體強制旋(xuán)轉,形成旋(xuan)渦.流。旋渦(wō)流經收縮(suō)段加速,再(zai)經擴大段(duàn)急劇減速(su)，由于壓力(li)上🌏升，産生(shēng)回流，在回(huí)流的作用(yòng)下👄旋渦的(de)渦核圍繞(rao)流量🔞計軸(zhou)線作旋進(jin)運動刀。旋(xuán)渦的進動(dòng)頻率與流(liú)量成正比(bi)。假設旋渦(wō)進🐅動頻率(lǜ)爲f,則瞬時(shi)體積流量(liang)Qv符合如下(xia)規律:Qv=f/Kv,其✂️中(zhōng),Kv爲旋進旋(xuán)渦流量計(ji)儀表系數(shu)。因此,旋進(jin)旋渦流量(liang)計測量的(de)🤩關鍵在于(yú)正确得到(dao)旋渦進動(dòng)的頻率。
 
2信(xìn)号處理方(fāng)法研究
　　旋(xuan)進旋渦流(liú)量計的檢(jiǎn)測元件采(cai)集信号經(jīng)電路處理(li)的輸出❤️信(xìn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号中主要(yao)包含旋渦(wo)信号和幹(gan)擾信号,分(fèn)析并比較(jiào)兩種信号(hao)的區别,找(zhǎo)到差異性(xìng)最大的特(tè)征，即可提(ti)取旋渦頻(pin)率，實現流(liú)量的有效(xiao)測量。
旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計檢測元(yuan)件采集的(de)旋渦信号(hào)可以近似(si)看作正弦(xián)信号,在外(wai)界無幹擾(rǎo)情況下,流(liú)量計輸出(chū)的電壓信(xin)号爲㊙️
 
式中(zhong):V0(t)爲輸出信(xìn)号轉換得(de)到的電壓(ya)值,V;A0爲正弦(xián)信号的💃🏻幅(fú)值,V;ƒ0爲旋渦(wo)進動頻率(lü),Hz;φ0爲信号的(de)相位。
　　根據(ju)三角函數(shù)傅裏葉變(bian)換結果可(kě)知[8],在上述(shù)信号的單(dan)邊頻譜中(zhong),當ƒ=ƒ0時對應(yīng)幅值最大(dà),因此,可以(yǐ)通過搜索(suǒ)最值的方(fāng)法反向确(què)定旋渦信(xin)号的頻率(lü)。
　　在旋進旋(xuán)渦流量計(ji)的實際應(yīng)用環境中(zhong),常見的幹(gan)擾信号主(zhu)🐉要爲瞬态(tài)沖擊振動(dong)和流體脈(mò)沖幹擾。根(gēn)據流🥵體脈(mò)🐅動幹擾信(xin)号在沿流(liu)量計軸向(xiàng)對稱的方(fāng)向.上非常(chang)接近,旋渦(wō)産生壓力(lì)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信号在對(dui)稱位置上(shàng)反相,因此(cǐ)可以通過(guo)差分處理(lǐ)的方式基(jī)本消除流(liu)🔴體脈沖對(dui)旋進旋渦(wo)流量計的(de)影響。針對(dui)瞬态沖擊(jī)♋振動信号(hao),在理✍️想狀(zhuang)态下可以(yǐ)看作阻尼(ni)振動信号(hào),通過檢測(cè)元件采集(ji)的電壓信(xin)号可通過(guo)式(2)表達：
 
　　式(shì)中:A1爲信号(hao)的幅值,V;η爲(wèi)阻尼系數(shù);ɷn爲固有角(jiǎo)頻率;ɷd爲振(zhen)動角頻率(lü);φn爲初始相(xiang)位。
　　從式(2)可(kě)以看出,在(zai)振動過程(cheng)中頻率始(shi)終保持不(bú)變,幅值不(bú)斷減小至(zhi)0,因此,在對(duì)應的頻譜(pǔ)圖中,當ƒ=ɷd/(2π)時(shi)對🍉應的幅(fú)值最大。實(shí)際環境🌏中(zhong),振動信号(hao)的頻譜中(zhong)可能存在(zài)高頻諧波(bō)。
　　綜合以上(shang)分析可以(yǐ)看出,由于(yu)旋渦信号(hào)始終穩定(ding)🌈,對☀️應的能(néng)量随時間(jiān)不斷累積(jī),而振動信(xìn)号初始能(neng)量大,随時(shi)間變♈化累(lei)積量不斷(duàn)減少,在兩(liang)者初始幅(fú)值基本相(xiang)同的情況(kuàng)下,旋渦信(xin)❤️号的能量(liàng)必大于振(zhèn)動信号,因(yīn)此,可以通(tōng)📧過頻譜分(fèn)👨‍❤️‍👨析結果中(zhōng)的幅值最(zuì)大值來确(què)定♌旋渦信(xin)号的㊙️頻率(lü),并轉化爲(wei)瞬時流量(liang)🔆完成測量(liàng)。
3信号采集(ji)電路設計(jì)
　　爲了驗證(zheng)上述信号(hao)處理方案(an)的可行性(xing),需要采集(jí)旋進旋渦(wō)流量計的(de)輸出信号(hao)并進行分(fèn)析,結合以(yǐ)上提出的(de)信号處理(lǐ)🚩方法，本文(wén)設計的信(xin)号采集方(fāng)案如圖2所(suǒ)示,沿流量(liang)計軸向對(duì)稱分别安(an)裝壓電傳(chuán)🔴感器F1和F2,經(jing)電荷放大(dà)電路将電(dian)荷信号轉(zhuan)化爲電壓(ya)信号,通過(guo)差分電路(lù)處理得到(dao)旋渦進動(dong)的電壓信(xin)号,采用截(jie)止頻率爲(wèi)1kHz的低通濾(lǜ)波電路去(qu)除其中的(de)噪聲,最終(zhōng)⭐輸出實驗(yàn)所要采集(ji)的信号。
 
　　電(dian)荷放大電(dian)路具體原(yuan)理圖如圖(tu)3所示，通過(guò)反饋電容(rong)🔆C11、C12的積分作(zuò)用将電荷(hé)量轉換成(chéng)電壓量。電(diàn)容C13、C14的作🈲用(yong)爲🚶去除輸(shu)人的直流(liu)分量,由于(yú)運算放大(da)器爲單電(dian)源供電,在(zài)運算放大(da)器的同向(xiàng)端輸🔆人正(zhèng)向的參考(kǎo)電壓VREF,大🚶小(xiao)爲電源電(dian)壓的1/2,擡高(gāo)采集的電(diàn)壓使其位(wèi)于運算放(fàng)大器的工(gong)作電壓範(fàn)圍内。反向(xiàng)端接人電(dian)阻R5、R6的主要(yào)✨作用是防(fang)止反饋電(dian)容長時間(jiān)充電導緻(zhi)運算放大(dà)器飽💔和。二(èr)級管D1、D2、D3、D4的作(zuo)用是防止(zhi)傳感器過(guo)載産生較(jiào)大的輸💔出(chū),保護電路(lù)。V1、V2爲輸出的(de)電壓信号(hào),經過後☎️續(xù)的運算放(fang)大器差分(fen)後進人低(dī)通濾波電(diàn)路。
 
4實驗研(yan)究與結果(guo)分析
4.1實驗(yan)平台搭建(jian)
　　旋進旋渦(wo)流量計實(shí)驗平台示(shi)意圖如圖(tu)4所示,主要(yào)由标準裝(zhuāng)置🤞、管道、PCle-6320數(shu)據采集卡(kǎ)、流量計信(xin)号采集電(diàn)路和DN50氣體(tǐ)🌈旋進🌂旋渦(wō)流量計實(shí)驗樣機組(zu)成。
 
　　實驗所(suǒ)用的标準(zhun)裝置精度(du)爲0.25級,實驗(yàn)樣機的量(liàng)程爲8~120m3/h,精度(du)爲1.5級,則旋(xuan)渦進動頻(pín)率大緻範(fan)圍爲45~750Hz。信号(hào)采集由計(jì)算機上的(de)Lab-VIEW軟件控🧡制(zhi)數據采集(jí)卡完成,根(gēn)據奈奎斯(si)特采樣🈚定(ding)理,設置信(xìn)号采樣頻(pin)率爲4kHz,保證(zhèng)采樣的信(xìn)号不失真(zhēn)。另💛外,爲了(le)減小數據(jù)處理過程(cheng)中💋的誤差(cha),提高頻率(lǜ)分辨率,設(she)置采樣時(shi)㊙️間爲5s,使用(yong)20000個數據點(dian)進行分🔞析(xī)計算。
4.2信号(hao)處理結果(guo)分析.
　　由于(yu)旋進旋渦(wō)流量計在(zài)不同流量(liang)下對瞬态(tài)沖擊振動(dòng)👅的響‼️應不(bú)同,同時,在(zài)旋進旋渦(wō)流量計行(hang)業标準中(zhong)通過🏃‍♂️引人(rén)分界流量(liang)qt對不同範(fàn)圍内的精(jing)度與重複(fu)性做了相(xiang)關規定,因(yin)此,本文分(fen)别🈲對高流(liu)量區和低(di)流量區的(de)振動信号(hào)響應進行(háng)分析♌,分界(jiè)流量☎️爲量(liang)程最大值(zhi)的1/5,因此,取(qu)分界流量(liàng)qt爲24m3/h。
4.2.1高流量(liang)區信号處(chu)理
　　高流量(liang)區以流量(liang)點41.7m3/h的瞬時(shi)流量信号(hào)爲例。在流(liú)量⭕穩🐇定的(de)情況下完(wán)成采集并(bing)去除信号(hào)中的直流(liú)分量并🏃🏻進(jìn)行處理,由(yóu)于㊙️對信号(hao)已進行低(di)通濾波處(chu)理,頻譜分(fèn)析得到的(de)結果中1kHz以(yǐ)上的信号(hào)對應幅值(zhi)基本爲0,在(zai)圖中不做(zuò)展示,得到(dào)的無振動(dong)情況下的(de)旋渦信号(hào)的時域與(yu)頻域結果(guǒ)圖如圖5所(suǒ)🧡示。從結果(guǒ)圖中均可(ke)以看出,旋(xuan)渦信号近(jìn)似于正弦(xian)信号,與理(lǐ)論分.析相(xiang)符,信号頻(pin)率即爲頻(pín)譜圖中尖(jian)峰對應的(de)頻率,通過(guo)FFT計算得到(dao)結果爲258.1Hz。
 
　　對(duì)實驗平台(tai)的管道施(shi)加3~4Hz的敲擊(jī)振動,得到(dào)的時域與(yu)頻域結果(guo)如圖6所示(shi)。從結果可(kě)以看出,振(zhèn)動信号的(de)初始峰值(zhí)與旋渦信(xìn)号的幅值(zhi)基本一緻(zhi),同時兩者(zhe)的頻譜圖(tú)基本相同(tong),計算得到(dao)的信号頻(pín)率值爲257.1Hz,與(yu)穩定狀态(tài)下的測量(liàng)結果基本(ben)--緻。因此，在(zai)高流量✌️區(qū)由于旋渦(wō)信号本身(shen)的能量較(jiào)大,疊加的(de)振動信⚽号(hào)不會影響(xiang)旋渦頻率(lü)的測量結(jie)果,可以直(zhi)接🤩通過🔞FFT分(fèn)析獲得㊙️旋(xuan)渦頻率。
 
4.2.2低(di)流量區信(xin)号處理
　　低(di)流量區以(yi)流量點9.0m3/h的(de)瞬時流量(liang)信号爲例(lì),采集得到(dào)的無振動(dòng)情況下的(de)旋渦信号(hào)的時域與(yǔ)頻譜圖如(rú)圖7所示,200Hz以(yi)上的信🍓号(hào)分量基本(ben)爲0,未在結(jie)果圖中展(zhǎn)示。從結果(guǒ)可以看出(chū)✔️,雖然存在(zài)一部分高(gao)頻噪聲，旋(xuan)渦信号的(de)幅值有跳(tiao)動的情✍️況(kuang)，但仍然不(bu)會影響流(liu)量計的測(ce)量結果,同(tong)高流量區(qū)采用相同(tong)的方法計(jì)算信号頻(pín)率爲54.0Hz。
 
　　同樣(yàng)對實驗平(píng)台的管道(dào)施加3~4Hz的敲(qiao)擊振動,得(de)到的時域(yù)與頻👨‍❤️‍👨域結(jie)果如圖8所(suǒ)示，爲了便(bian)于後續的(de)分析與比(bǐ)❄️較,時域圖(tú)顯示其中(zhong)1s内的波形(xíng)。從結果可(kě)看出,由于(yú)振動信号(hao)的初始峰(fēng)值與旋渦(wo)信号的幅(fu)值不在同(tong)一量級,FFT分(fèn)析得到振(zhèn)動信号對(duì)應的尖峰(feng)高于旋渦(wō)信号,因此(ci),無法直接(jiē)得到旋渦(wo)信号的頻(pin)率對于這(zhè)種非平🏃🏻穩(wěn)信号,可以(yi)通過🎯經驗(yan)模态分解(jiě)(EMD)提取振動(dòng)信号🚩對應(yīng)的本征模(mó)态函數(IMF),差(chà)分處理後(hòu)再進🌍行FFT變(biàn)換獲得旋(xuan)渦信😍号頻(pín)率。
 
定義爲(wei)IMF的條件有(you)以下2個:
(1)整(zhěng)個信号中(zhong),極值點數(shù)量必須與(yu)過零點數(shu)量相等或(huò)差值爲1;
(2)在(zai)任意時刻(ke),信号極大(dà)值與極小(xiǎo)值包絡的(de)均值爲零(líng)。
　　原始信号(hào)x(t)分解過程(chéng)爲:首先提(tí)取信号的(de)極大值與(yu)極小值,通(tong)過三次樣(yàng)條插值得(dé)到包絡信(xin)号計算其(qi)平均值mi(t),判(pàn)斷差值hi(t)=x(t)-mi(t)是(shi)否爲IMF分量(liang),如果不是(shi),則将差值(zhi)作爲下一(yi)次分解目(mu)标并重複(fú)以上步驟(zhòu),直到得到(dào)本征模态(tai)函數IMFk(t)。每次(cì)提取IMF後，從(cong)原始信号(hao)🛀🏻中減去對(duì)應的本征(zhēng)模态函.數(shu),再進行下(xià)一次分⭕解(jie),直到最後(hou)的信号中(zhōng)不存在IMF,最(zuì)終,原始信(xin)号可以表(biao)示爲👣
 
式中(zhong):n爲IMF的個數(shu);e(t)爲信号的(de)殘差。
　　上述(shu)信号進行(háng)分解後得(dé)到的一階(jie)本征模态(tài)函數時💁域(yu)與頻域結(jie)果如圖9所(suǒ)示。從結果(guo)可以看出(chū),EMD處理後得(dé)🏃‍♀️到的本征(zhēng)模态函數(shu)基本保留(liu)了原有振(zhèn)動信号的(de)所✉️有特征(zhēng),幅值較大(da)處對應的(de)頻率基本(ben)--緻。
　　将兩種(zhong)信号差分(fen)處理,對應(ying)的信号時(shí)域與頻域(yù)結⁉️果如圖(tu)10所🧑🏽‍🤝‍🧑🏻示。從結(jié)果可以看(kàn)出,振動信(xìn)号的能量(liàng)得到有效(xiào)去除,頻💃🏻譜(pǔ)圖基本不(bu)存在高頻(pín)振動信号(hào),計算頻譜(pǔ)圖中尖峰(feng)峰值對應(yīng)的頻率爲(wei)54.0Hz,與穩定條(tiáo)件下的旋(xuán)渦🔆信号頻(pin)率-緻,證明(míng)本方案在(zai)實🌐際應用(yong)中具有可(kě)行性。
 
4.3流量(liàng)計性能測(ce)試
　　按照JJG1121-2015《旋(xuán)進旋渦流(liú)量計》的檢(jian)定要求,對(duì)流量計進(jin)行标定,得(dé)到瞬時流(liú)量Q(m3/h)與頻率(lü)ƒ(Hz)之間的函(hán)數關系式(shi)如✊下:
 
　　對實(shi)驗平台管(guǎn)道施加3~4Hz的(de)振動信号(hào),在旋進旋(xuán)渦流量計(jì)的量程内(nei),任取10個流(liú)量點,每個(ge)流量點重(zhòng)複進行3次(ci)實驗，實驗(yan)結果🌏如表(biǎo)1所示。
 
　　測量(liàng)誤差與重(zhong)複性曲線(xiàn)如圖11所示(shi),低流量區(qu)的最大🐉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)誤差分别(bié)🤞爲-0.9%和0.24%,根據(jù)旋進旋渦(wo)流量計檢(jiǎn)定規程要(yao)求,低流量(liàng)區8~24m'/h最大允(yun)許誤差範(fàn)圍爲3.0%,重複(fu)性小于1.0%;高(gao)流量區24~120m3/h最(zui)大允許誤(wù)差範圍爲(wèi)1.5%,重複⭐性小(xiao)于0.5%。綜🙇🏻合以(yi)上分析,所(suo)有指标均(jun)在規定的(de)範圍内,符(fú)合旋進旋(xuán)渦流量計(ji)的性能要(yao)求。
 
5結束語(yu)
　　針對旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計抗千擾(rǎo)能力差的(de)問題,在消(xiāo)除流體脈(mò)💘動幹擾的(de)條件下,提(ti)出了一種(zhǒng)基于頻譜(pǔ)分析的方(fāng)法提取旋(xuán)渦頻率,分(fèn)别對高流(liu)量區和低(dī)流量區的(de)振動響應(ying)進行分析(xi),結合經🔆驗(yan)模态分解(jie)與FFT方法提(ti)取頻譜中(zhong)幅值最大(da)值對應的(de)頻率，規避(bi)了外部瞬(shùn)态沖擊振(zhen)動對旋進(jin)旋渦流量(liang)計的影響(xiang)💯,實現流量(liàng)的🔴準确測(cè)量。實驗結(jié)果表明:該(gāi)方案得到(dào)的測量結(jié)果符合旋(xuán)進旋👅渦流(liú)量計行業(ye)相關标準(zhǔn)㊙️，具有較高(gāo)的實用性(xing)。

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