摘要:針對旋進(jin)旋渦流量計 抗幹(gàn)擾能力差的問題(ti),分析流量計工業(ye)應用中存✂️在的幹(gan)擾信🔞号,提出了一(yī)種基于頻譜分析(xi)的信号處理方法(fǎ)。信号采集💞電路并(bing)搭建實驗平台，分(fen)别采⚽集高流量區(qu)和低流量🏃‍♂️區的瞬(shùn)态沖擊振動信号(hao)和🛀旋渦信号,結合(hé)FFT與經驗模态分解(jie)提取頻譜中幅值(zhí)最大值對應的頻(pin)率即爲旋渦信号(hào)頻🌈率。在管道受瞬(shun)态沖擊振動的條(tiao)件下,對實驗樣機(ji)進行性能測試,低(di)流量區的測量誤(wu)差和重複性🐪分别(bié)爲-0.5%和0.4%,高流量😄區的(de)最大測量誤差和(he)重複性分别爲-0.9%和(hé)0.24%,均符合相關标準(zhun)，實驗結果表明該(gāi)方案可以有效減(jian)小外部幹擾對旋(xuán)進旋🌈渦流量計測(cè)量的影響👄。
0引言
　　旋(xuan)進旋渦流量計屬(shu)于流體振動流量(liàng)計,該流量計利用(yòng)旋💯渦㊙️進動頻率與(yǔ)流速成正比的原(yuan)理測量流量。它⛷️具(jù)備測量精度高、安(an)裝維護方便和适(shi)應多種💘介質等優(you)點”。由于該類♌型流(liu)量♌計通過檢測流(liu)體振動獲得流量(liàng)值,因此,旋進旋渦(wō)流量計存在一個(gè)固有缺陷，即抗千(qian)擾能力差。當被測(cè)流體存在脈動幹(gan)🚩擾或管道受到瞬(shùn)态沖擊振動♉時,測(ce)量系統的誤差📐增(zeng)大,造成計量誤差(cha),最終影響流量計(jì)的正常計數🐇,這嚴(yan)重制約了旋進旋(xuan)渦流量計的進一(yī)步發展。
　　針對上述(shu)問題，流體脈動對(dui)旋進旋渦流量計(jì)的影響,得🏃‍♀️到振💘蕩(dang)流中旋進旋渦流(liú)量計的響應特性(xìng)是均勻流中旋進(jin)旋渦🔞流量計響應(ying)特性和振蕩流幹(gàn)擾特性🙇🏻的疊加這(zhe)一結論,并利☔用消(xiao)除流體脈動幹擾(rǎo)對流量計測量的(de)💔影響。在同側沿軸(zhóu)向安裝2個傳感器(qi),其中一個傳感器(qì)采集流量和振動(dòng)的混合信号,另一(yi)個僅采集振動信(xin)号,兩者進行差分(fen)處理,消除外界振(zhèn)動對流量計的影(ying)響,但該方法無法(fa)消除流體脈動幹(gan)擾對旋☎️進旋渦流(liu)量計測量🏒的影響(xiang)通♍過改進檢測元(yuan)件結構增強旋進(jin)旋渦流量計的抗(kàng)⚽幹擾能力。使用的(de)♌壓電傳感器中2片(pian)壓電晶體用于🐉檢(jian)測旋渦振⚽動的頻(pin)率,另外2片用于檢(jian)測機械振動❓信号(hào)。4片壓電晶體并聯(lian)進行工作,通過對(dui)振動信号進行差(chà)分💔處理,保留旋渦(wō)振動信号并轉換(huan)爲流量值。
　　綜上所(suǒ)述,現有成果多爲(wèi)單一因素對旋進(jin)旋渦流量計測量(liàng)的影響,沒有對幹(gàn)擾因素綜合分析(xi);采用改進傳感器(qi)的方法⚽研發⁉️成本(běn)高、周期長，在中小(xiao)企業中推廣難度(du)大。因此,文章提出(chu)了基于頻譜分析(xī)的方法提取旋渦(wō)頻率,分析不同流(liú)量區間的旋渦信(xin)号與振動響應信(xin)号,在外部存在幹(gàn)擾的條件下,可以(yi)實現流量的正确(què)測量并通過實驗(yan)證明了方♉案的有(you)效性。
1旋進旋渦流(liu)量計工作原理
　　旋(xuán)進旋渦流量計的(de)工作原理如圖1所(suo)示流體進人旋進(jìn)旋渦流量計後,首(shou)先經過一組由固(gù)定螺旋葉片組成(chéng)的旋渦發生體，使(shǐ)流體強制旋轉,形(xíng)成旋渦.流。旋渦流(liú)經收縮段加速,再(zài)經擴大段急劇減(jiǎn)速，由于壓力上👈升(sheng)，産生回🚶流，在回流(liú)的作用下旋渦的(de)渦核圍繞流量😘計(ji)軸線作旋進運動(dong)刀。旋渦的進動頻(pín)率與流量成正📱比(bi)。假設旋渦進動頻(pín)率爲f,則瞬🔱時體積(jī)流量Qv符合如下規(guī)律:Qv=f/Kv,其中,Kv爲旋進旋(xuán)渦流量計儀💘表系(xi)數。因此,旋進旋渦(wo)流量計測量的關(guān)鍵在于正确得到(dao)旋渦進動的頻率(lǜ)。
 
2信号處理方法研(yan)究
　　旋進旋渦流量(liàng)計的檢測元件采(cǎi)集信号經電路處(chu)理的🐅輸出信号中(zhong)主要包含旋渦信(xìn)号和幹擾信号,分(fèn)析并比較兩種信(xin)号的區别,找到差(chà)異性最大的特征(zheng)，即可提取旋渦頻(pín)🛀🏻率，實現流量的有(you)效測量。
旋進旋渦(wō)流量計檢測元件(jiàn)采集的旋渦信号(hào)可以🌈近似📐看作正(zhèng)弦信号,在外界無(wu)幹擾情況下,流量(liang)計輸出的電壓信(xìn)㊙️号爲
 
式中:V0(t)爲輸出(chū)信号轉換得到的(de)電壓值,V;A0爲正弦信(xìn)号🆚的幅值,V;ƒ0爲旋🏃🏻‍♂️渦(wo)進動頻率,Hz;φ0爲信号(hào)的相位。
　　根據三角(jiao)函數傅裏葉變換(huan)結果可知[8],在上述(shù)信号的單邊頻譜(pu)中,當ƒ=ƒ0時對應幅值(zhí)最大,因此,可以通(tong)過搜索最值的方(fāng)法反向确定旋渦(wo)信号的頻率。
　　在旋(xuan)進旋渦流量計的(de)實際應用環境中(zhong),常見的幹擾信号(hào)主要爲瞬态沖擊(jī)振動和流體脈沖(chong)幹擾。根💚據流體脈(mo)👨‍❤️‍👨動幹擾信号在沿(yan)流量計軸向對稱(cheng)的方向.上非常接(jiē)近,旋渦産生壓力(li)信号在‼️對稱位置(zhi)上反相,因此可以(yǐ)通過🔞差分處理的(de)方式基本消除流(liú)體脈沖對旋進旋(xuán)渦流量計的影響(xiang)。針對瞬态沖擊😘振(zhèn)動信号,在理想狀(zhuang)态下可以看作阻(zǔ)尼振動信号🔴,通過(guo)檢測👄元件采集的(de)電壓信号可通過(guo)式(2)表達：
 
　　式中:A1爲信(xin)号的幅值,V;η爲阻尼(ni)系數;ɷn爲固有角頻(pín)率;ɷd爲振動🥰角頻率(lǜ);φn爲初始相位。
　　從式(shi)(2)可以看出,在振動(dòng)過程中頻率始終(zhōng)保持不變,幅值不(bu)斷減小至0,因此,在(zai)對應的頻譜圖中(zhōng),當ƒ=ɷd/(2π)時對應的幅值(zhí)最大。實際環境中(zhōng),振動信号的頻譜(pǔ)中可能存在高頻(pín)諧🏃🏻‍♂️波。
　　綜合以上分(fèn)析可以看出,由于(yú)旋渦信号始終穩(wěn)定,對應的能量随(suí)時間不斷累積,而(ér)振動信号初始能(néng)量大,随時間變化(hua)累積量不斷減少(shǎo),在兩者初始幅⭐值(zhí)基本相同的♌情況(kuang)下,旋渦信号的能(néng)量必大于振動信(xìn)号,因此,可以通🏃過(guo)頻譜分析結果中(zhōng)的幅值最👉大值來(lai)确定旋渦信号的(de)頻率,并轉化爲瞬(shun)時流量完成測量(liàng)。
3信号采集電路設(shè)計
　　爲了驗證上述(shù)信号處理方案的(de)可行性,需要采集(ji)旋進旋渦流🔞量計(ji)的輸出信号并進(jìn)行分析,結合以上(shàng)提出的信号處理(lǐ)方法🚩，本文設計的(de)信号采集方案如(rú)圖2所示,沿流量計(jì)軸向對稱分别安(an)裝壓電傳🔞感器F1和(hé)F2,經🌈電荷放大電路(lu)将電荷信号轉化(hua)爲電壓🈲信号,通過(guo)差分電路處理得(de)到旋渦進動的電(dian)壓信号,采用截止(zhǐ)頻率爲1kHz的低通濾(lü)波電路去除其中(zhōng)的🌏噪聲,最終輸出(chū)實驗所要采集的(de)信号。
 
　　電荷放大電(dian)路具體原理圖如(rú)圖3所示，通過反饋(kui)電🏃🏻‍♂️容C11、C12的積分作用(yòng)将電荷量轉換成(chéng)電壓量。電容C13、C14的作(zuo)用爲去除輸人✨的(de)直流分量,由于運(yùn)算放大器爲單電(diàn)源供電,在運算放(fang)大器的同向端輸(shū)人正向的參🔴考電(diàn)壓VREF,大🏃‍♂️小爲電源電(diàn)壓的1/2,擡㊙️高采集的(de)電壓使其🚶‍♀️位于運(yun)算放🛀大器的工作(zuo)📱電壓範圍内。反向(xiàng)端接人電阻R5、R6的主(zhǔ)要♉作用是防止反(fǎn)饋🔞電容長時間充(chong)電導⛹🏻‍♀️緻運算放大(da)器飽🐕和。二級管D1、D2、D3、D4的(de)作用❤️是防止傳感(gǎn)器過載産生較大(da)的輸出,保護電路(lù)。V1、V2爲輸⚽出💔的電壓信(xin)🌐号,經過後續的運(yùn)算放大器差分後(hou)進人低通濾波電(dian)路。
 
4實驗研究與結(jié)果分析
4.1實驗平台(tái)搭建
　　旋進旋渦流(liu)量計實驗平台示(shì)意圖如圖4所示,主(zhu)要由标準裝置🌈、管(guan)道、PCle-6320數據采集卡、流(liu)量計信号采集電(dian)路和DN50氣體旋進旋(xuán)渦流量計實驗樣(yang)機組成。
 
　　實驗所用(yòng)的标準裝置精度(dù)爲0.25級,實驗樣機的(de)量程爲8~120m3/h,精度爲1.5級(jí),則旋渦進動頻率(lü)大緻範圍爲45~750Hz。信号(hao)采集由計算機上(shang)🏃的Lab-VIEW軟件控☎️制數據(jù)采集卡完成,根據(jù)奈奎斯特采樣定(ding)理,設置信号采樣(yàng)頻率爲4kHz,保證采樣(yang)的信号❓不失真。另(ling)外,爲了減小數據(jù)處理過程中的誤(wu)差,提高頻率分辨(bian)率,設置采樣時間(jiān)爲5s,使用20000個🐕數據點(diǎn)進行🌍分析計算。
4.2信(xìn)号處理結果分析(xi).
　　由于旋進旋渦流(liú)量計在不同流量(liàng)下對瞬态沖擊振(zhèn)動㊙️的響應不同,同(tong)時,在旋進旋渦流(liu)量計行業标準中(zhong)通過引人🆚分界流(liú)量qt對不同範圍内(nèi)的精度與重複性(xing)做了相關規定,因(yīn)此,本文分别對高(gao)流量區和低流量(liang)區的振動信号響(xiǎng)應進行分析🐪,分界(jie)流量爲量程最大(dà)值的1/5,因此,取分界(jie)流量qt爲🛀24m3/h。
4.2.1高流量區(qu)信号處理
　　高流量(liang)區以流量點41.7m3/h的瞬(shun)時流量信号爲例(li)。在流量穩📐定🛀的情(qíng)況🧡下完成采集并(bing)去除信号中的直(zhi)流分🌈量并進行處(chu)理,由于對信号已(yi)進行低通濾波處(chu)理🏃‍♀️,頻譜分析得到(dao)的結果中1kHz以上的(de)信号對應幅值基(jī)本爲0,在圖中不做(zuò)展示,得到的無振(zhèn)動情況下的旋🚶‍♀️渦(wō)信号的時域與頻(pin)域結果圖如圖5所(suo)示。從結果圖中均(jun)可以看出,旋渦信(xin)号近似于正弦信(xin)号,與理論🤞分.析相(xiàng)符,信号頻率即爲(wèi)頻譜圖中❤️尖峰對(duì)應的頻率,通過FFT計(ji)算得到結果爲258.1Hz。
 
　　對(duì)實驗平台的管道(dào)施加3~4Hz的敲擊振動(dòng),得到的時域與頻(pin)域結果如圖6所示(shi)。從結果可以看出(chū),振動信号的初始(shǐ)峰值與旋渦信号(hào)的幅值基本一緻(zhì),同時兩☂️者的頻譜(pu)圖基本相同,計算(suan)得🌈到的信号頻率(lǜ)值爲257.1Hz,與穩定狀态(tai)下的測量結果基(ji)本--緻。因此，在高流(liú)量🛀🏻區由于旋渦🚩信(xin)号本身的能量較(jiao)大,疊加的振動信(xin)号不會影響旋渦(wo)頻率的測量結果(guǒ),可以直接通過FFT分(fen)析獲得旋渦頻率(lǜ)。
 
4.2.2低流量區信号處(chù)理
　　低流量區以流(liu)量點9.0m3/h的瞬時流量(liàng)信号爲例,采集得(de)❄️到的無振動情況(kuang)下的旋渦信号的(de)時域與頻譜圖如(rú)圖🏃🏻‍♂️7所示🏃,200Hz以上❓的信(xin)号分量基本爲0,未(wèi)在結果圖中展示(shì)。從⭐結果可以看出(chū),雖然存在一部分(fèn)高頻噪聲🏃‍♂️，旋渦信(xìn)号的幅值有跳動(dòng)的情況，但仍然💚不(bú)會影響流量計的(de)測量結果,同高流(liú)量區采用相同的(de)方法計算信号頻(pín)率爲54.0Hz。
 
　　同樣對實驗(yan)平台的管道施加(jia)3~4Hz的敲擊振動,得到(dao)的時💋域⭕與頻域結(jie)果如圖8所示，爲了(le)便于後續的分析(xī)與比✨較,時域圖顯(xian)示其中1s内的波形(xing)。從結果可看出,由(you)于振🌈動信号的初(chū)始峰值與旋渦信(xìn)🥵号的幅值不在同(tóng)一量❌級,FFT分析得到(dào)振動信号對應的(de)⭐尖峰高于👄旋渦信(xin)号,因此,無法直接(jiē)♈得到旋渦信✏️号的(de)頻率對于這種非(fēi)平穩信号,可以通(tōng)過經驗模态分解(jie)(EMD)提取振動信号對(dui)應的本征模态函(hán)數(IMF),差分處理後再(zai)進行✊FFT變換獲得旋(xuan)渦信💞号頻率。
 
定義(yi)爲IMF的條件有以下(xia)2個:
(1)整個信号中,極(ji)值點數量必須與(yǔ)過零點數量相等(děng)☂️或差值爲1;
(2)在任意(yì)時刻,信号極大值(zhi)與極小值包絡的(de)均值爲零。
　　原始信(xìn)号x(t)分解過程爲:首(shou)先提取信号的極(jí)大值與極小值,通(tōng)過💰三次樣條插值(zhi)得到包絡信号計(ji)算其平均值mi(t),判斷(duan)差值hi(t)=x(t)-mi(t)是否爲IMF分量(liang),如果不是,則将差(cha)值🐉作爲下一次分(fen)解目标并重複以(yi)上步驟,直到得到(dào)本征模态函數IMFk(t)。每(měi)次提取IMF後，從原始(shi)信号中減去對應(ying)的本征模态函.數(shu),再進行下一次分(fèn)解,直到最後🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的信(xin)号中不存在IMF,最終(zhong),原始信号可以表(biao)示爲
 
式中:n爲IMF的個(gè)數;e(t)爲信号的殘差(chà)。
　　上述信号進行分(fèn)解後得到的一階(jiē)本征模态函數時(shi)⛷️域與頻域結果如(rú)圖9所示。從結果可(kě)以看出,EMD處理後得(dé)到的🔞本征㊙️模态函(hán)數基本保留了原(yuán)有振動信号的所(suo)有特征,幅值較大(da)處對應的頻率基(ji)本--緻。
　　将兩種信号(hào)差分處理,對應的(de)信号時域與頻域(yu)結果如圖10所🤟示。從(cong)結果可以看出,振(zhen)動信号的能量得(dé)到有🎯效去除,頻譜(pu)圖基本不存在高(gao)頻振動信号,計算(suàn)頻譜圖中尖🧡峰峰(feng)值對應的頻率爲(wei)✔️54.0Hz,與穩定條件下的(de)旋渦信号頻率-緻(zhì),證明本方案在實(shí)際應用中具有可(ke)行性。
 
4.3流量計性能(néng)測試
　　按照JJG1121-2015《旋進旋(xuan)渦流量計》的檢定(ding)要求,對流量計進(jin)行标定,得到🐇瞬時(shi)流量Q(m3/h)與頻率ƒ(Hz)之間(jian)的函數關系式如(ru)☂️下:
 
　　對實驗平台管(guan)道施加3~4Hz的振動信(xin)号,在旋進旋渦流(liú)量計的量🔅程内,任(rèn)取10個流量點,每個(gè)流量點重複進行(háng)3次實驗，實驗結果(guo)如表1所示。
 
　　測量誤(wù)差與重複性曲線(xiàn)如圖11所示,低流量(liang)區的最大測量誤(wù)差和重複性分别(bié)爲-0.5%和0.4%,高流量區的(de)最大測量誤差分(fèn)别爲-0.9%和💜0.24%,根據旋進(jìn)旋渦流量計檢定(dìng)規🐆程要求🔞,低流量(liàng)區8~24m'/h最大允許誤差(chà)範圍爲3.0%,重複性小(xiǎo)于1.0%;高流量👈區24~120m3/h最大(da)允許誤差範♈圍爲(wèi)1.5%,重複性小于0.5%。綜合(he)以上分析❤️,所有指(zhǐ)标均在規定的範(fan)圍内,符合旋進旋(xuán)渦流量㊙️計的性能(néng)要求。
 
5結束語
　　針對(dui)旋進旋渦流量計(jì)抗千擾能力差的(de)問題,在消除流體(tǐ)脈動幹擾的條件(jian)下,提出了一種基(jī)于頻譜分析🔞的方(fāng)✏️法提取旋渦頻🙇🏻率(lǜ),分别對高流量區(qū)和低流量區的振(zhen)動響應進行分析(xi),結合經✔️驗模态分(fen)解與FFT方法提取頻(pin)譜中幅值最大值(zhí)對應的頻率，規避(bì)了外部瞬态沖擊(ji)振動對旋進旋渦(wō)流🈲量計的影響,實(shi)現流量的準确測(cè)量。實驗結果表明(míng):該方案得到的測(cè)量結果符合旋進(jìn)旋渦流量計行業(yè)相關标準，具有較(jiao)高的實用性。

文章(zhang)來源于網絡,如有(yǒu)侵權聯系即删除(chu)！