摘要:針對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗干擾能力差的問題,分析流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用中存在的干擾信號,提出了一種基于頻譜分析的信號處理方法。信號采集電路并搭建實(shí)驗(yàn)平臺，分別采集高流量區(qū)和低流量區(qū)的瞬態(tài)沖擊振動信號和旋渦信號,結(jié)合FFT與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解提取頻譜中幅值最大值對應(yīng)的頻率即為旋渦信號頻率。在管道受瞬態(tài)沖擊振動的條件下,對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行性能測試,低流量區(qū)的測量誤差和重復(fù)性分別為-0.5%和0.4%,高流量區(qū)的最大測量誤差和重復(fù)性分別為-0.9%和0.24%,均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以有效減小外部干擾對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的影響。
0引言
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)屬于流體振動流量計(jì),該流量計(jì)利用旋渦進(jìn)動頻率與流速成正比的原理測量流量。它具備測量精度高、安裝維護(hù)方便和適應(yīng)多種介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)”。由于該類型流量計(jì)通過檢測流體振動獲得流量值,因此,旋進(jìn)旋渦流量計(jì)存在一個(gè)固有缺陷，即抗千擾能力差。當(dāng)被測流體存在脈動干擾或管道受到瞬態(tài)沖擊振動時(shí),測量系統(tǒng)的誤差增大,造成計(jì)量誤差,最終影響流量計(jì)的正常計(jì)數(shù),這嚴(yán)重制約了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。
針對上述問題，流體脈動對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響,得到振蕩流中旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的響應(yīng)特性是均勻流中旋進(jìn)旋渦流量計(jì)響應(yīng)特性和振蕩流干擾特性的疊加這一結(jié)論,并利用消除流體脈動干擾對流量計(jì)測量的影響。在同側(cè)沿軸向安裝2個(gè)傳感器,其中一個(gè)傳感器采集流量和振動的混合信號,另一個(gè)僅采集振動信號,兩者進(jìn)行差分處理,消除外界振動對流量計(jì)的影響,但該方法無法消除流體脈動干擾對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的影響通過改進(jìn)檢測元件結(jié)構(gòu)增強(qiáng)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的抗干擾能力。使用的壓電傳感器中2片壓電晶體用于檢測旋渦振動的頻率,另外2片用于檢測機(jī)械振動信號。4片壓電晶體并聯(lián)進(jìn)行工作,通過對振動信號進(jìn)行差分處理,保留旋渦振動信號并轉(zhuǎn)換為流量值。
綜上所述,現(xiàn)有成果多為單一因素對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的影響,沒有對干擾因素綜合分析;采用改進(jìn)傳感器的方法研發(fā)成本高、周期長，在中小企業(yè)中推廣難度大。因此,文章提出了基于頻譜分析的方法提取旋渦頻率,分析不同流量區(qū)間的旋渦信號與振動響應(yīng)信號,在外部存在干擾的條件下,可以實(shí)現(xiàn)流量的正確測量并通過實(shí)驗(yàn)證明了方案的有效性。
1旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作原理如圖1所示流體進(jìn)人旋進(jìn)旋渦流量計(jì)后,首先經(jīng)過一組由固定螺旋葉片組成的旋渦發(fā)生體，使流體強(qiáng)制旋轉(zhuǎn),形成旋渦.流。旋渦流經(jīng)收縮段加速,再經(jīng)擴(kuò)大段急劇減速，由于壓力上升，產(chǎn)生回流，在回流的作用下旋渦的渦核圍繞流量計(jì)軸線作旋進(jìn)運(yùn)動刀。旋渦的進(jìn)動頻率與流量成正比。假設(shè)旋渦進(jìn)動頻率為f,則瞬時(shí)體積流量Qv符合如下規(guī)律:Qv=f/Kv,其中,Kv為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)儀表系數(shù)。因此,旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量的關(guān)鍵在于正確得到旋渦進(jìn)動的頻率。
2信號處理方法研究
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的檢測元件采集信號經(jīng)電路處理的輸出信號中主要包含旋渦信號和干擾信號,分析并比較兩種信號的區(qū)別,找到差異性最大的特征，即可提取旋渦頻率，實(shí)現(xiàn)流量的有效測量。
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)檢測元件采集的旋渦信號可以近似看作正弦信號,在外界無干擾情況下,流量計(jì)輸出的電壓信號為
式中:V0(t)為輸出信號轉(zhuǎn)換得到的電壓值,V;A0為正弦信號的幅值,V;ƒ0為旋渦進(jìn)動頻率,Hz;φ0為信號的相位。
根據(jù)三角函數(shù)傅里葉變換結(jié)果可知[8],在上述信號的單邊頻譜中,當(dāng)ƒ=ƒ0時(shí)對應(yīng)幅值最大,因此,可以通過搜索最值的方法反向確定旋渦信號的頻率。
在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,常見的干擾信號主要為瞬態(tài)沖擊振動和流體脈沖干擾。根據(jù)流體脈動干擾信號在沿流量計(jì)軸向?qū)ΨQ的方向.上非常接近,旋渦產(chǎn)生壓力信號在對稱位置上反相,因此可以通過差分處理的方式基本消除流體脈沖對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響。針對瞬態(tài)沖擊振動信號,在理想狀態(tài)下可以看作阻尼振動信號,通過檢測元件采集的電壓信號可通過式(2)表達(dá)：
式中:A1為信號的幅值,V;η為阻尼系數(shù);ɷn為固有角頻率;ɷd為振動角頻率;φn為初始相位。
從式(2)可以看出,在振動過程中頻率始終保持不變,幅值不斷減小至0,因此,在對應(yīng)的頻譜圖中,當(dāng)ƒ=ɷd/(2π)時(shí)對應(yīng)的幅值最大。實(shí)際環(huán)境中,振動信號的頻譜中可能存在高頻諧波。
綜合以上分析可以看出,由于旋渦信號始終穩(wěn)定,對應(yīng)的能量隨時(shí)間不斷累積,而振動信號初始能量大,隨時(shí)間變化累積量不斷減少,在兩者初始幅值基本相同的情況下,旋渦信號的能量必大于振動信號,因此,可以通過頻譜分析結(jié)果中的幅值最大值來確定旋渦信號的頻率,并轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)流量完成測量。
3信號采集電路設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證上述信號處理方案的可行性,需要采集旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的輸出信號并進(jìn)行分析,結(jié)合以上提出的信號處理方法，本文設(shè)計(jì)的信號采集方案如圖2所示,沿流量計(jì)軸向?qū)ΨQ分別安裝壓電傳感器F1和F2,經(jīng)電荷放大電路將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,通過差分電路處理得到旋渦進(jìn)動的電壓信號,采用截止頻率為1kHz的低通濾波電路去除其中的噪聲,最終輸出實(shí)驗(yàn)所要采集的信號。
電荷放大電路具體原理圖如圖3所示，通過反饋電容C11、C12的積分作用將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量。電容C13、C14的作用為去除輸人的直流分量,由于運(yùn)算放大器為單電源供電,在運(yùn)算放大器的同向端輸人正向的參考電壓VREF,大小為電源電壓的1/2,抬高采集的電壓使其位于運(yùn)算放大器的工作電壓范圍內(nèi)。反向端接人電阻R5、R6的主要作用是防止反饋電容長時(shí)間充電導(dǎo)致運(yùn)算放大器飽和。二級管D1、D2、D3、D4的作用是防止傳感器過載產(chǎn)生較大的輸出,保護(hù)電路。V1、V2為輸出的電壓信號,經(jīng)過后續(xù)的運(yùn)算放大器差分后進(jìn)人低通濾波電路。
4實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析
4.1實(shí)驗(yàn)平臺搭建
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺示意圖如圖4所示,主要由標(biāo)準(zhǔn)裝置、管道、PCle-6320數(shù)據(jù)采集卡、流量計(jì)信號采集電路和DN50氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組成。
實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)裝置精度為0.25級,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的量程為8~120m3/h,精度為1.5級,則旋渦進(jìn)動頻率大致范圍為45~750Hz。信號采集由計(jì)算機(jī)上的Lab-VIEW軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,設(shè)置信號采樣頻率為4kHz,保證采樣的信號不失真。另外,為了減小數(shù)據(jù)處理過程中的誤差,提高頻率分辨率,設(shè)置采樣時(shí)間為5s,使用20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。
4.2信號處理結(jié)果分析.
由于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在不同流量下對瞬態(tài)沖擊振動的響應(yīng)不同,同時(shí),在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中通過引人分界流量qt對不同范圍內(nèi)的精度與重復(fù)性做了相關(guān)規(guī)定,因此,本文分別對高流量區(qū)和低流量區(qū)的振動信號響應(yīng)進(jìn)行分析,分界流量為量程最大值的1/5,因此,取分界流量qt為24m3/h。
4.2.1高流量區(qū)信號處理
高流量區(qū)以流量點(diǎn)41.7m3/h的瞬時(shí)流量信號為例。在流量穩(wěn)定的情況下完成采集并去除信號中的直流分量并進(jìn)行處理,由于對信號已進(jìn)行低通濾波處理,頻譜分析得到的結(jié)果中1kHz以上的信號對應(yīng)幅值基本為0,在圖中不做展示,得到的無振動情況下的旋渦信號的時(shí)域與頻域結(jié)果圖如圖5所示。從結(jié)果圖中均可以看出,旋渦信號近似于正弦信號,與理論分.析相符,信號頻率即為頻譜圖中尖峰對應(yīng)的頻率,通過FFT計(jì)算得到結(jié)果為258.1Hz。
對實(shí)驗(yàn)平臺的管道施加3~4Hz的敲擊振動,得到的時(shí)域與頻域結(jié)果如圖6所示。從結(jié)果可以看出,振動信號的初始峰值與旋渦信號的幅值基本一致,同時(shí)兩者的頻譜圖基本相同,計(jì)算得到的信號頻率值為257.1Hz,與穩(wěn)定狀態(tài)下的測量結(jié)果基本--致。因此，在高流量區(qū)由于旋渦信號本身的能量較大,疊加的振動信號不會影響旋渦頻率的測量結(jié)果,可以直接通過FFT分析獲得旋渦頻率。
4.2.2低流量區(qū)信號處理
低流量區(qū)以流量點(diǎn)9.0m3/h的瞬時(shí)流量信號為例,采集得到的無振動情況下的旋渦信號的時(shí)域與頻譜圖如圖7所示,200Hz以上的信號分量基本為0,未在結(jié)果圖中展示。從結(jié)果可以看出,雖然存在一部分高頻噪聲，旋渦信號的幅值有跳動的情況，但仍然不會影響流量計(jì)的測量結(jié)果,同高流量區(qū)采用相同的方法計(jì)算信號頻率為54.0Hz。
同樣對實(shí)驗(yàn)平臺的管道施加3~4Hz的敲擊振動,得到的時(shí)域與頻域結(jié)果如圖8所示，為了便于后續(xù)的分析與比較,時(shí)域圖顯示其中1s內(nèi)的波形。從結(jié)果可看出,由于振動信號的初始峰值與旋渦信號的幅值不在同一量級,FFT分析得到振動信號對應(yīng)的尖峰高于旋渦信號,因此,無法直接得到旋渦信號的頻率對于這種非平穩(wěn)信號,可以通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)提取振動信號對應(yīng)的本征模態(tài)函數(shù)(IMF),差分處理后再進(jìn)行FFT變換獲得旋渦信號頻率。
定義為IMF的條件有以下2個(gè):
(1)整個(gè)信號中,極值點(diǎn)數(shù)量必須與過零點(diǎn)數(shù)量相等或差值為1;
(2)在任意時(shí)刻,信號極大值與極小值包絡(luò)的均值為零。
原始信號x(t)分解過程為:首先提取信號的極大值與極小值,通過三次樣條插值得到包絡(luò)信號計(jì)算其平均值mi(t),判斷差值hi(t)=x(t)-mi(t)是否為IMF分量,如果不是,則將差值作為下一次分解目標(biāo)并重復(fù)以上步驟,直到得到本征模態(tài)函數(shù)IMFk(t)。每次提取IMF后，從原始信號中減去對應(yīng)的本征模態(tài)函.數(shù),再進(jìn)行下一次分解,直到最后的信號中不存在IMF,最終,原始信號可以表示為
式中:n為IMF的個(gè)數(shù);e(t)為信號的殘差。
上述信號進(jìn)行分解后得到的一階本征模態(tài)函數(shù)時(shí)域與頻域結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果可以看出,EMD處理后得到的本征模態(tài)函數(shù)基本保留了原有振動信號的所有特征,幅值較大處對應(yīng)的頻率基本--致。
將兩種信號差分處理,對應(yīng)的信號時(shí)域與頻域結(jié)果如圖10所示。從結(jié)果可以看出,振動信號的能量得到有效去除,頻譜圖基本不存在高頻振動信號,計(jì)算頻譜圖中尖峰峰值對應(yīng)的頻率為54.0Hz,與穩(wěn)定條件下的旋渦信號頻率-致,證明本方案在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。
4.3流量計(jì)性能測試
按照J(rèn)JG1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》的檢定要求,對流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,得到瞬時(shí)流量Q(m3/h)與頻率ƒ(Hz)之間的函數(shù)關(guān)系式如下:
對實(shí)驗(yàn)平臺管道施加3~4Hz的振動信號,在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的量程內(nèi),任取10個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
測量誤差與重復(fù)性曲線如圖11所示,低流量區(qū)的最大測量誤差和重復(fù)性分別為-0.5%和0.4%,高流量區(qū)的最大測量誤差分別為-0.9%和0.24%,根據(jù)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)檢定規(guī)程要求,低流量區(qū)8~24m'/h最大允許誤差范圍為3.0%,重復(fù)性小于1.0%;高流量區(qū)24~120m3/h最大允許誤差范圍為1.5%,重復(fù)性小于0.5%。綜合以上分析,所有指標(biāo)均在規(guī)定的范圍內(nèi),符合旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的性能要求。
5結(jié)束語
針對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗千擾能力差的問題,在消除流體脈動干擾的條件下,提出了一種基于頻譜分析的方法提取旋渦頻率,分別對高流量區(qū)和低流量區(qū)的振動響應(yīng)進(jìn)行分析,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與FFT方法提取頻譜中幅值最大值對應(yīng)的頻率，規(guī)避了外部瞬態(tài)沖擊振動對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響,實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方案得到的測量結(jié)果符合旋進(jìn)旋渦流量計(jì)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的實(shí)用性。
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