氣體旋進旋渦流量計信號處理實驗研究

徐昊學,毛謙敏

(中國計量大學計量測試工程學院,浙江杭州 310018)

0 引言

旋進旋渦流量計屬于流體振動流量計,該流量計利用旋渦進動頻率與流速成正比的原理測量流量。它具備測量精確度高、安裝維護方便和適應多種介質等優(yōu)點[1]。由于該類型流量計通過檢測流體振動獲得流量值,因此,旋進旋渦流量計存在一個固有缺陷,即抗干擾能力差[2]。當被測流體存在脈動干擾或管道受到瞬態(tài)沖擊振動時,測量系統(tǒng)的誤差增大,造成計量誤差,最終影響流量計的正常計數(shù),這嚴重制約了旋進旋渦流量計的進一步發(fā)展。

針對上述問題,彭杰綱等提出采用Hilbert-Huang變換(HHT)的方法研究流體脈動對旋進旋渦流量計的影響,得到振蕩流中旋進旋渦流量計的響應特性是均勻流中旋進旋渦流量計響應特性和振蕩流干擾特性的疊加這一結論,并利用HHT消除流體脈動干擾對流量計測量的影響[3]。馬才偉等提出在同側沿軸向安裝2個傳感器,其中一個傳感器采集流量和振動的混合信號,另一個僅采集振動信號,兩者進行差分處理,消除外界振動對流量計的影響,但該方法無法消除流體脈動干擾對旋進旋渦流量計測量的影響[4]。德國菲時波特公司(Fischer&Porter)通過改進檢測元件結構增強旋進旋渦流量計的抗干擾能力。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片用于檢測機械振動信號。4片壓電晶體并聯(lián)進行工作,通過對振動信號進行差分處理,保留旋渦振動信號并轉換為流量值[5]。

綜上所述,現(xiàn)有研究成果多為單一因素對旋進旋渦流量計測量的影響,沒有對干擾因素綜合分析;采用改進傳感器的方法研發(fā)成本高、周期長,在中小企業(yè)中推廣難度大。因此,本文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信號,在外部存在干擾的條件下,可以實現(xiàn)流量的準確測量并通過實驗證明了方案的有效性。

1 旋進旋渦流量計工作原理

旋進旋渦流量計的工作原理如圖1所示[6]。流體進入旋進旋渦流量計后,首先經過一組由固定螺旋葉片組成的旋渦發(fā)生體,使流體強制旋轉,形成旋渦流。旋渦流經收縮段加速,再經擴大段急劇減速,由于壓力上升,產生回流,在回流的作用下旋渦的渦核圍繞流量計軸線作旋進運動[7]。旋渦的進動頻率與流量成正比。假設旋渦進動頻率為f,則瞬時體積流量Qv符合如下規(guī)律:Qv=f/Kv,其中,Kv為旋進旋渦流量計儀表系數(shù)。因此,旋進旋渦流量計測量的關鍵在于準確得到旋渦進動的頻率。

圖1 旋進旋渦流量計工作原理圖

2 信號處理方法研究

旋進旋渦流量計的檢測元件采集信號經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,實現(xiàn)流量的有效測量。

旋進旋渦流量計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,流量計輸出的電壓信號為

V0(t)=A0sin(2πf0t+φ0)

(1)

式中:V0(t)為輸出信號轉換得到的電壓值,V;A0為正弦信號的幅值,V;f0為旋渦進動頻率,Hz;φ0為信號的相位。

根據(jù)三角函數(shù)傅里葉變換結果可知[8],在上述信號的單邊頻譜中,當f=f0時對應幅值最大,因此,可以通過搜索最值的方法反向確定旋渦信號的頻率。

在旋進旋渦流量計的實際應用環(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)文獻[9]實驗研究得到,流體脈動干擾信號在沿流量計軸向對稱的方向上非常接近,旋渦產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旋渦流量計的影響。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[10-11]:

V1(t)=A1e-ηωntcos(ωdt+φn)

(2)

式中:A1為信號的幅值,V;η為阻尼系數(shù);ωn為固有角頻率;ωd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,在對應的頻譜圖中,當f=ωd/(2π)時對應的幅值最大。實際環(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,對應的能量隨時間不斷累積,而振動信號初始能量大,隨時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果中的幅值最大值來確定旋渦信號的頻率,并轉化為瞬時流量完成測量。

3 信號采集電路設計

為了驗證上述信號處理方案的可行性,需要采集旋進旋渦流量計的輸出信號并進行分析,結合以上提出的信號處理方法,本文設計的信號采集方案如圖2所示,沿流量計軸向對稱分別安裝壓電傳感器F1和F2,經電荷放大電路將電荷信號轉化為電壓信號,通過差分電路處理得到旋渦進動的電壓信號,采用截止頻率為1 kHz的低通濾波電路去除其中的噪聲,最終輸出實驗所要采集的信號。

圖2 信號采集方案結構框圖

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換成電壓量。電容C13、C14的作用為去除輸入的直流分量,由于運算放大器為單電源供電,在運算放大器的同向端輸入正向的參考電壓VREF,大小為電源電壓的1/2,抬高采集的電壓使其位于運算放大器的工作電壓范圍內。反向端接入電阻R5、R6的主要作用是防止反饋電容長時間充電導致運算放大器飽和。二級管D1、D2、D3、D4的作用是防止傳感器過載產生較大的輸出,保護電路。V1、V2為輸出的電壓信號,經過后續(xù)的運算放大器差分后進入低通濾波電路。

圖3 電荷放大電路原理圖

4 實驗研究與結果分析

4.1 實驗平臺搭建

旋進旋渦流量計實驗平臺示意圖如圖4所示,主要由標準裝置、管道、PCIe-6320數(shù)據(jù)采集卡、流量計信號采集電路和DN50氣體旋進旋渦流量計實驗樣機組成。

(a)平臺結構圖

(b)平臺實物圖圖4 旋進旋渦流量計實驗平臺示意圖

實驗所用的標準裝置精度為0.25級,實驗樣機的量程為8～120 m3/h,精度為1.5級,則旋渦進動頻率大致范圍為45～750 Hz。信號采集由計算機上的LabVIEW軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,設置信號采樣頻率為4 kHz,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,設置采樣時間為5 s,使用20 000個數(shù)據(jù)點進行分析計算。

4.2 信號處理結果分析

由于旋進旋渦流量計在不同流量下對瞬態(tài)沖擊振動的響應不同,同時,在旋進旋渦流量計行業(yè)標準中通過引入分界流量qt對不同范圍內的精度與重復性做了相關規(guī)定,因此,本文分別對高流量區(qū)和低流量區(qū)的振動信號響應進行分析,分界流量為量程最大值的1/5,因此,取分界流量qt為24 m3/h。

4.2.1 高流量區(qū)信號處理

高流量區(qū)以流量點41.7 m3/h的瞬時流量信號為例。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行處理,由于對信號已進行低通濾波處理,頻譜分析得到的結果中1 kHz以上的信號對應幅值基本為0,在圖中不做展示,得到的無振動情況下的旋渦信號的時域與頻域結果圖如圖5所示。從結果圖中均可以看出,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的頻率,通過FFT計算得到結果為258.1 Hz。

(a)信號時域圖和局部放大圖

對實驗平臺的管道施加3～4 Hz的敲擊振動,得到的時域與頻域結果如圖6所示。從結果可以看出,振動信號的初始峰值與旋渦信號的幅值基本一致,同時兩者的頻譜圖基本相同,計算得到的信號頻率值為257.1 Hz,與穩(wěn)定狀態(tài)下的測量結果基本一致。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果,可以直接通過FFT分析獲得旋渦頻率。

(a)信號時域圖和局部放大圖

(b)信號頻譜圖圖6 高流量區(qū)振動響應時域和頻域結果圖

4.2.2 低流量區(qū)信號處理

低流量區(qū)以流量點9.0 m3/h的瞬時流量信號為例,采集得到的無振動情況下的旋渦信號的時域與頻譜圖如圖7所示,200 Hz以上的信號分量基本為0,未在結果圖中展示。從結果可以看出,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的測量結果,同高流量區(qū)采用相同的方法計算信號頻率為54.0 Hz。

(a)信號時域圖

(b)信號頻譜圖圖7 低流量區(qū)旋渦信號時域和頻域結果圖

同樣對實驗平臺的管道施加3～4 Hz的敲擊振動,得到的時域與頻域結果如圖8所示,為了便于后續(xù)的分析與比較,時域圖顯示其中1 s內的波形。從結果可看出,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,可以通過經驗模態(tài)分解(EMD)提取振動信號對應的本征模態(tài)函數(shù)(IMF),差分處理后再進行FFT變換獲得旋渦信號頻率。

(a)信號時域圖和局部放大圖

(b)信號頻譜圖圖8 低流量區(qū)振動響應時域和頻域結果圖

定義為IMF的條件有以下2個:

(1)整個信號中,極值點數(shù)量必須與過零點數(shù)量相等或差值為1;

(2)在任意時刻,信號極大值與極小值包絡的均值為零。

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信號計算其平均值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并重復以上步驟,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的本征模態(tài)函數(shù),再進行下一次分解,直到最后的信號中不存在IMF,最終,原始信號可以表示為[12]

(3)

式中:n為IMF的個數(shù);ε(t)為信號的殘差。

上述信號進行分解后得到的一階本征模態(tài)函數(shù)時域與頻域結果如圖9所示。從結果可以看出,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,幅值較大處對應的頻率基本一致。

(b)信號頻譜圖圖9 一階模態(tài)函數(shù)時域和頻域結果圖

將兩種信號差分處理,對應的信號時域與頻域結果如圖10所示。從結果可以看出,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,計算頻譜圖中尖峰峰值對應的頻率為54.0 Hz,與穩(wěn)定條件下的旋渦信號頻率一致,證明本方案在實際應用中具有可行性。

(a)信號時域圖

(b)信號頻譜圖圖10 差分信號時域和頻域結果圖

4.3 流量計性能測試

按照JJG 1121—2015《旋進旋渦流量計》的檢定要求,對流量計進行標定,得到瞬時流量Q(m3/h)與頻率f(Hz)之間的函數(shù)關系式如下:

(4)

對實驗平臺管道施加3～4 Hz的振動信號,在旋進旋渦流量計的量程內,任取10個流量點,每個流量點重復進行3次實驗,實驗結果如表1所示。

表1 測試實驗結果數(shù)據(jù)表

測量誤差與重復性曲線如圖11所示,低流量區(qū)的最大測量誤差和重復性分別為-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)旋進旋渦流量計檢定規(guī)程要求,低流量區(qū)8～24 m3/h最大允許誤差范圍為3.0%,重復性小于1.0%;高流量區(qū)24～120 m3/h最大允許誤差范圍為1.5%,重復性小于0.5%。綜合以上分析,所有指標均在規(guī)定的范圍內,符合旋進旋渦流量計的性能要求。

圖11 誤差和重復性分布曲線圖

5 結束語

本文針對旋進旋渦流量計抗干擾能力差的問題,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)的振動響應進行分析,結合經驗模態(tài)分解與FFT方法提取頻譜中幅值最大值對應的頻率,規(guī)避了外部瞬態(tài)沖擊振動對旋進旋渦流量計的影響,實現(xiàn)流量的準確測量。實驗結果表明:該方案得到的測量結果符合旋進旋渦流量計行業(yè)相關標準,具有較高的實用性。