旋進(jìn)旋渦流量計(jì)實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析
發(fā)布時(shí)間：2024-06-12 09:22:47
1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
旋進(jìn)旋渦流量計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)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(jí),實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的量程為8~120m3/h,精度為1.5級(jí),則旋渦進(jìn)動(dòng)頻率大致范圍為45~750Hz。信號(hào)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(hào)采樣頻率為4kHz,保證采樣的信號(hào)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。
2.信號(hào)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(duì)瞬態(tài)沖擊振動(dòng)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(duì)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(duì)高流量區(qū)和低流量區(qū)的振動(dòng)信號(hào)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。
2.1 高流量區(qū)信號(hào)處理
高流量區(qū)以流量點(diǎn)41.7m3/h的瞬時(shí)流量信號(hào)為例。在流量穩(wěn)定的情況下完成采集并去除信號(hào)中的直流分量并進(jìn)行處理,由于對(duì)信號(hào)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(hào)對(duì)應(yīng)幅值基本為0,在圖中不做展示,得到的無振動(dòng)情況下的旋渦信號(hào)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(hào)近似于正弦信號(hào),與理論分.析相符,信號(hào)頻率即為頻譜圖中尖峰對(duì)應(yīng)的頻率,通過FFT計(jì)算得到結(jié)果為258.1Hz。
對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管道施加3~4Hz的敲擊振動(dòng),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(dòng)信號(hào)的初始峰值與旋渦信號(hào)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(hào)頻率值為257.1Hz,與穩(wěn)定狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果基本--致。因此，在高流量區(qū)由于旋渦信號(hào)本身的能量較大,疊加的振動(dòng)信號(hào)不會(huì)影響旋渦頻率的測(cè)量結(jié)果,可以直接通過FFT分析獲得旋渦頻率。
2.2 低流量區(qū)信號(hào)處理
低流量區(qū)以流量點(diǎn)9.0m3/h的瞬時(shí)流量信號(hào)為例,采集得到的無振動(dòng)情況下的旋渦信號(hào)的時(shí)域與頻譜圖如圖7所示,200Hz以上的信號(hào)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(hào)的幅值有跳動(dòng)的情況，但仍然不會(huì)影響流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果,同高流量區(qū)采用相同的方法計(jì)算信號(hào)頻率為54.0Hz。
同樣對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管道施加3~4Hz的敲擊振動(dòng),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(dòng)信號(hào)的初始峰值與旋渦信號(hào)的幅值不在同一量級(jí),FFT分析得到振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的尖峰高于旋渦信號(hào),因此,無法直接得到旋渦信號(hào)的頻率對(duì)于這種非平穩(wěn)信號(hào),可以通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)提取振動(dòng)信號(hào)對(duì)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(hào)頻率。
定義為IMF的條件有以下2個(gè):
(1)整個(gè)信號(hào)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(hào)極大值與極小值包絡(luò)的均值為零。
原始信號(hào)x(t)分解過程為:首先提取信號(hào)的極大值與極小值,通過三次樣條插值得到包絡(luò)信號(hào)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(hào)中減去對(duì)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(hào)中不存在IMF,最終,原始信號(hào)可以表示為
式中:n為IMF的個(gè)數(shù);e(t)為信號(hào)的殘差。
上述信號(hào)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(dòng)信號(hào)的所有特征,幅值較大處對(duì)應(yīng)的頻率基本--致。
將兩種信號(hào)差分處理,對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)域與頻域結(jié)果如圖10所示。從結(jié)果可以看出,振動(dòng)信號(hào)的能量得到有效去除,頻譜圖基本不存在高頻振動(dòng)信號(hào),計(jì)算頻譜圖中尖峰峰值對(duì)應(yīng)的頻率為54.0Hz,與穩(wěn)定條件下的旋渦信號(hào)頻率-致,證明本方案在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。
3.流量計(jì)性能測(cè)試
按照J(rèn)JG1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》的檢定要求,對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管道施加3~4Hz的振動(dòng)信號(hào),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(cè)量誤差與重復(fù)性曲線如圖11所示,低流量區(qū)的最大測(cè)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(cè)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。
