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旋進旋渦流量計實驗研究與結果分析
發布時間：2024-06-12 09:22:47
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、PCle-6320數據采集卡、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。
實驗所用的標準裝置精度為0.25級,實驗樣機的量程為8~120m3/h,精度為1.5級,則旋渦進動頻率大致范圍為45~750Hz。信號采集由計算機上的Lab-VIEW軟件控制數據采集卡完成,根據奈奎斯特采樣定理,設置信號采樣頻率為4kHz,保證采樣的信號不失真。另外,為了減小數據處理過程中的誤差,提高頻率分辨率,設置采樣時間為5s,使用20000個數據點進行分析計算。
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沖擊振動的響應不同,同時,在旋進旋渦流量計行業標準中通過引人分界流量qt對不同范圍內的精度與重復性做了相關規定,因此,本文分別對高流量區和低流量區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24m3/h。
2.1 高流量區信號處理
高流量區以流量點41.7m3/h的瞬時流量信號為例。在流量穩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1kHz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258.1Hz。
對實驗平臺的管道施加3~4Hz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257.1Hz,與穩定狀態下的測量結果基本--致。因此，在高流量區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。
2.2 低流量區信號處理
低流量區以流量點9.0m3/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,200Hz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,同高流量區采用相同的方法計算信號頻率為54.0Hz。
同樣對實驗平臺的管道施加3~4Hz的敲擊振動,得到的時域與頻域結果如圖8所示，為了便于后續的分析與比較,時域圖顯示其中1s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信號,可以通過經驗模態分解(EMD)提取振動信號對應的本征模態函數(IMF),差分處理后再進行FFT變換獲得旋渦信號頻率。
定義為IMF的條件有以下2個:
(1)整個信號中,極值點數量必須與過零點數量相等或差值為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,直到得到本征模態函數IMFk(t)。每次提取IMF后，從原始信號中減去對應的本征模態函.數,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
式中:n為IMF的個數;e(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函數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函數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--致。
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54.0Hz,與穩定條件下的旋渦信號頻率-致,證明本方案在實際應用中具有可行性。
3.流量計性能測試
按照JJG1121-2015《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ƒ(Hz)之間的函數關系式如下:
對實驗平臺管道施加3~4Hz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。
測量誤差與重復性曲線如圖11所示,低流量區的最大測量誤差和重復性分別為-0.5%和0.4%,高流量區的最大測量誤差分別為-0.9%和0.24%,根據旋進旋渦流量計檢定規程要求,低流量區8~24m'/h最大允許誤差范圍為3.0%,重復性小于1.0%;高流量區24~120m3/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,所有指標均在規定的范圍內,符合旋進旋渦流量計的性能要求。
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