調節閥動(dòng)態(tài)穩定性試驗之信號處理
核心提示：以上?；莞唛y門(mén)制造有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的調節閥為研究對象，通過(guò)在閥座節流斷面處、閥芯頭部等閥體內各關(guān)鍵部位設置測點(diǎn)，利用微小型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器及其采集系統，進(jìn)行多種工況和多個(gè)方位的試驗研究，對流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力信號進(jìn)行采集、處理和分析，探討由于閥內氣體流動(dòng)引發(fā)的閥門(mén)工作的穩定性。
1 概述

調節閥屬典型的機械或機電類(lèi)產(chǎn)品，但它跟手動(dòng)的閥的zui大區別在于其結合了現代信息技術(shù)后可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)對其進(jìn)行調節，極大地增強了調節閥在控制系統中的重要地位。調節閥的主要功能是通過(guò)改變通流部分的面積進(jìn)而改變閥后壓力、溫度、流量等參數以適應不同工況的需要。在某些工況，調節閥內可能由于流體流動(dòng)強烈的非定常性而影響閥門(mén)工作的穩定性，甚至引起閥門(mén)的振動(dòng)。僅就調節閥門(mén)安全性而言，閥桿振動(dòng)和斷裂等事故曾經(jīng)發(fā)生。這些現象基本上與流體誘發(fā)的閥門(mén)不穩定有關(guān)，即調節閥內氣體（液體）流動(dòng)的不穩定導致閥門(mén)的振動(dòng)，其中閥桿-閥芯的振動(dòng)表現比較明顯。本文試驗利用微小型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感及其采集系統，對引起調節閥桿振動(dòng)或不穩定的工況進(jìn)行數據采集、處理和分析，通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力變化和閥桿振動(dòng)特性測試及相應的結果，研究閥內流場(chǎng)對閥門(mén)工作穩定性的影響。

2 調節閥模型及其試驗系統

調節閥的型腔復雜，流程曲折（圖1），試驗是在不同壓比和相對升程下進(jìn)行的。

圖1 調節閥模型及部分動(dòng)態(tài)壓力測點(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

相對升程定義為

L（相對） = L/Dn

式中：L —調節閥的閥桿提升高度，mm
Dn—閥芯-閥座間的配合直徑，mm

在閥桿升程較大或全開(kāi)工況，閥內zui小通道是閥座的節流斷面處。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(chēng)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(chēng)為第二個(gè)噴管通道，其節流斷面處是第二個(gè)噴管通道中面積zui小處。

為了全面認識閥門(mén)內的復雜流動(dòng)特性，在閥腔進(jìn)口、閥腔頂端、閥座節流斷面處、閥座漸擴段和閥芯頭部等部位設置了測點(diǎn)，還在閥座節流斷面處和閥芯頭部布置多個(gè)測點(diǎn)。通過(guò)對各測點(diǎn)的測量，進(jìn)行各點(diǎn)測量數據的處理和結果的關(guān)聯(lián)分析，可以得出在不同工作條件下閥內流動(dòng)特性。

試驗系統（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(lái)的空氣經(jīng)過(guò)擴壓段、穩壓段、收斂段后進(jìn)入調節閥，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°。試驗中氣體流量、壓力和溫度均有專(zhuān)門(mén)的測量管段。

1 進(jìn)氣閥 2 壓縮機 3 出氣閥 4 壓力表 5 溫度計 6 旁通閥 7 流量計 8 擴壓段
9 穩壓段 10 收斂段 11 動(dòng)態(tài)采集系統 12 動(dòng)態(tài)信號放大器 13 閥桿 14 閥芯 15 絲網(wǎng)層

圖2 試驗原理圖

3 動(dòng)態(tài)壓力傳感器及數據采集系統

3.1 微小型動(dòng)態(tài)壓力傳感器

為了盡可能減小接觸測量對調節閥內的流暢的干擾，采用了美國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。試驗選用的是XCQ-062系列，傳感器直徑Φ=1.6mm，長(cháng)度L=12mm，工作溫度范圍為-55～204℃，固有頻率為330～500KHz，測量精度為滿(mǎn)量程的0.1%。被測介質(zhì)為非導電性、無(wú)腐蝕性的液體和氣體。由于傳感器微小，試驗時(shí)設計和制造了專(zhuān)門(mén)的緊固裝置，以便于安裝和拆卸。

壓力傳感器在標定時(shí)，校準的方法一般包括靜態(tài)校準和動(dòng)態(tài)校準，而且應該先進(jìn)行靜態(tài)校準以確定傳感器是線(xiàn)性的，然后才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準。但是要給出一些標準的動(dòng)態(tài)壓力是比較困難的，所以目前對于動(dòng)態(tài)壓力的測量，一般仍采用靜態(tài)標準。經(jīng)驗表明，只有整個(gè)測壓系統的響應頻率足夠高，采用靜態(tài)標定過(guò)的測壓系統來(lái)測量動(dòng)態(tài)壓力，結果有足夠的精度。本文試驗采用了測壓范圍為0～0.35MPa和0～0.17MPa兩種傳感器，滿(mǎn)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)標定結果如圖3所示。

圖3 壓力傳感器的輸出特性

3.2 數據采集系統

高頻動(dòng)態(tài)采集和分析系統可以進(jìn)行多通道并行動(dòng)態(tài)采集、具有高速、大容量和瞬態(tài)數字化的優(yōu)點(diǎn)，是集測量、分析和結果輸出為一體的高性能綜合性測量系統。它具有高度穩定的電路設計和儀器結構設計，優(yōu)良的硬件和軟件模塊化特性，可方便的應用于瞬態(tài)采集和動(dòng)態(tài)過(guò)程監測紀錄等測試領(lǐng)域，同時(shí)可作并行多通道數據采集。各采集通道把數據分別存入各自的緩沖器中，內部計算機通過(guò)統一的總線(xiàn)處理這些數據（圖4）。

圖4 動(dòng)態(tài)測試分析原理

由于各個(gè)通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會(huì )因為通道擴展而使zui高采集率下降或儲存深度下降，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存足夠的數據以供處理之用。系統zui高采樣率為1.25MPa、采樣精度為12bit，能夠及時(shí)響應閥內非定常流動(dòng)的參數及其變化。

3.3 壓力信號調節儀

壓力信號調節儀是一種對壓力信號進(jìn)行調節的儀表，通過(guò)調節zui后獲得的輸出信號可供顯示與數據采集，在試驗中作為高頻動(dòng)態(tài)采集系統的前置放大器使用。調節儀主要由壓力傳感器、傳感器供電電源、測量?jì)x用放大器、限波線(xiàn)路以及整機供電電源5部分組成，可同時(shí)對12路壓力信號進(jìn)行調理，不僅可以滿(mǎn)足對于不同型號的壓力傳感器信號進(jìn)行的調理，同時(shí)還可以對其他的電壓信號進(jìn)行調理。為減小工頻交流信號的干擾，其輸出部分設有限波線(xiàn)路，其限波頻率為50±5Hz，因此大大提高了整個(gè)調節電路的抗干擾能力。

微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器將感受的動(dòng)態(tài)壓力測量信號先經(jīng)過(guò)高頻前置放大器將mV級信號放大，然后輸入高頻動(dòng)態(tài)采集系統快速并行采集并存儲。再經(jīng)過(guò)各種時(shí)域、頻域和濾波信號處理得到真正的有用信號，zui終繪制出其特征曲線(xiàn)、進(jìn)而得到閥內非定常流動(dòng)特性。

4 靜態(tài)壓力測量采集和頻譜分析

4.1 表態(tài)壓力測量及其采集系統

靜態(tài)壓力測量及其采集系統由3051CD-BC智能型壓力變送器、1151系列壓力變送器、35951C數據采集板和35954B數據采集接口板以及計算機組合而成，在試驗中主要進(jìn)行調節閥進(jìn)、出口流量和靜態(tài)壓力等參數的測量。由于采用實(shí)時(shí)采集，使壓力等參數的測量數據能及進(jìn)得到時(shí)均值，減小了測量誤差。

4.2 頻譜分析

頻譜分析分析系統由計算機、打印機、顯示器、信號放大器、濾波器、數據采集器和分析軟件等構成。該系統通過(guò)計算機采集系統，將零件在外力沖擊作用后的振動(dòng)特性轉換為數字信號，對其進(jìn)行頻譜分析，獲得振動(dòng)信號的各階諧波頻率，即可得到的各階自振頻率。由于調節閥振動(dòng)形式主要表現為閥桿—閥芯的振動(dòng)，所以試驗中利用頻譜分析系統進(jìn)行閥桿-閥芯振動(dòng)信號的頻譜分析。

5 動(dòng)態(tài)信號處理

調節閥內的流動(dòng)具有典型的非定特性，動(dòng)態(tài)測量能夠準確及時(shí)地確定其內部流場(chǎng)的瞬時(shí)什及其隨時(shí)間而變化的量值。動(dòng)態(tài)測試中數據處理分析內容廣泛，涉及的問(wèn)題很多，必須得到真實(shí)可靠的數據和結果，以便找出規律，其中頻譜分析和波形分析就是動(dòng)態(tài)數據處理中zui重要的和zui基本的方法。頻譜分析和波形分析既相互獨立又密切相關(guān)，它們之間有明顯的區別，通過(guò)傅立葉變換可以相互轉換。頻譜和波形分析與隨機數據處理方法已經(jīng)成為信號分析中zui常用的方法。

6 結語(yǔ)

將試驗數據處理結果和數值模擬結合起來(lái)分析研究，可以得出結論：

（1）由于研制和使用了整套研究調節閥工作穩定性的試驗系統，包括調節閥高頻動(dòng)態(tài)壓力測試試驗平臺、微小型壓阻式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器等測試設備和技術(shù)，可以研究閥體內液體誘發(fā)振動(dòng)機理。

（2）試驗中，將微小傳感器直接插入閥座節流斷面處和閥芯頭部等閥體內的各關(guān)鍵部位，利用高頻動(dòng)態(tài)采集系統進(jìn)行多工況范圍和多方位的測量。對閥內高頻動(dòng)態(tài)壓力試驗數據，采用頻譜分析和相關(guān)分析方法進(jìn)行數據處理和分析，該方法簡(jiǎn)便，實(shí)用，可靠。

（3）試驗中，調節閥的閥桿-閥芯的振動(dòng)具有復雜的成因及形式，與閥內非定常氣體流動(dòng)的脈動(dòng)有關(guān)。從振型分，有平行與垂直來(lái)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。