調(diào)節(jié)閥動態(tài)穩(wěn)定性試驗之信號處理
核心提示：以上海惠高閥門制造有限公司開發(fā)生產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥為研究對象，通過在閥座節(jié)流斷面處、閥芯頭部等閥體內(nèi)各關(guān)鍵部位設(shè)置測點，利用微小型高頻動態(tài)壓力傳感器及其采集系統(tǒng)，進行多種工況和多個方位的試驗研究，對流場動態(tài)壓力信號進行采集、處理和分析，探討由于閥內(nèi)氣體流動引發(fā)的閥門工作的穩(wěn)定性。
1 概述

調(diào)節(jié)閥屬典型的機械或機電類產(chǎn)品，但它跟手動的閥的zui大區(qū)別在于其結(jié)合了現(xiàn)代信息技術(shù)后可通過現(xiàn)場總線技術(shù)對其進行調(diào)節(jié)，極大地增強了調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中的重要地位。調(diào)節(jié)閥的主要功能是通過改變通流部分的面積進而改變閥后壓力、溫度、流量等參數(shù)以適應(yīng)不同工況的需要。在某些工況，調(diào)節(jié)閥內(nèi)可能由于流體流動強烈的非定常性而影響閥門工作的穩(wěn)定性，甚至引起閥門的振動。僅就調(diào)節(jié)閥門安全性而言，閥桿振動和斷裂等事故曾經(jīng)發(fā)生。這些現(xiàn)象基本上與流體誘發(fā)的閥門不穩(wěn)定有關(guān)，即調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體（液體）流動的不穩(wěn)定導(dǎo)致閥門的振動，其中閥桿-閥芯的振動表現(xiàn)比較明顯。本文試驗利用微小型高頻動態(tài)壓力傳感及其采集系統(tǒng)，對引起調(diào)節(jié)閥桿振動或不穩(wěn)定的工況進行數(shù)據(jù)采集、處理和分析，通過動態(tài)壓力變化和閥桿振動特性測試及相應(yīng)的結(jié)果，研究閥內(nèi)流場對閥門工作穩(wěn)定性的影響。

2 調(diào)節(jié)閥模型及其試驗系統(tǒng)

調(diào)節(jié)閥的型腔復(fù)雜，流程曲折（圖1），試驗是在不同壓比和相對升程下進行的。

圖1 調(diào)節(jié)閥模型及部分動態(tài)壓力測點位置

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(diào)節(jié)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工況，閥內(nèi)zui小通道是閥座的節(jié)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(jié)流斷面處的通流面積。一般將閥芯和閥座上部形成的環(huán)形通道稱為*個噴管通道，在升程很小時環(huán)形通道的面積是zui小通道。將閥座稱為第二個噴管通道，其節(jié)流斷面處是第二個噴管通道中面積zui小處。

為了全面認識閥門內(nèi)的復(fù)雜流動特性，在閥腔進口、閥腔頂端、閥座節(jié)流斷面處、閥座漸擴段和閥芯頭部等部位設(shè)置了測點，還在閥座節(jié)流斷面處和閥芯頭部布置多個測點。通過對各測點的測量，進行各點測量數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的關(guān)聯(lián)分析，可以得出在不同工作條件下閥內(nèi)流動特性。

試驗系統(tǒng)（圖2）所用介質(zhì)為空氣。為使進口氣流均勻性較好，由高壓氣源來的空氣經(jīng)過擴壓段、穩(wěn)壓段、收斂段后進入調(diào)節(jié)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。氣流進口和出口方向成90°。試驗中氣體流量、壓力和溫度均有專門的測量管段。

1 進氣閥 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(wěn)壓段 10 收斂段 11 動態(tài)采集系統(tǒng) 12 動態(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 動態(tài)壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 微小型動態(tài)壓力傳感器

為了盡可能減小接觸測量對調(diào)節(jié)閥內(nèi)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，測量精度為滿量程的0.1%。被測介質(zhì)為非導(dǎo)電性、無腐蝕性的液體和氣體。由于傳感器微小，試驗時設(shè)計和制造了專門的緊固裝置，以便于安裝和拆卸。

壓力傳感器在標定時，校準的方法一般包括靜態(tài)校準和動態(tài)校準，而且應(yīng)該先進行靜態(tài)校準以確定傳感器是線性的，然后才能進行動態(tài)校準。但是要給出一些標準的動態(tài)壓力是比較困難的，所以目前對于動態(tài)壓力的測量，一般仍采用靜態(tài)標準。經(jīng)驗表明，只有整個測壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率足夠高，采用靜態(tài)標定過的測壓系統(tǒng)來測量動態(tài)壓力，結(jié)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，滿量程輸出為100mV，這2種微小型動態(tài)壓力傳感器的靜態(tài)標定結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓力傳感器的輸出特性

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高頻動態(tài)采集和分析系統(tǒng)可以進行多通道并行動態(tài)采集、具有高速、大容量和瞬態(tài)數(shù)字化的優(yōu)點，是集測量、分析和結(jié)果輸出為一體的高性能綜合性測量系統(tǒng)。它具有高度穩(wěn)定的電路設(shè)計和儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)良的硬件和軟件模塊化特性，可方便的應(yīng)用于瞬態(tài)采集和動態(tài)過程監(jiān)測紀錄等測試領(lǐng)域，同時可作并行多通道數(shù)據(jù)采集。各采集通道把數(shù)據(jù)分別存入各自的緩沖器中，內(nèi)部計算機通過統(tǒng)一的總線處理這些數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 動態(tài)測試分析原理

由于各個通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會因為通道擴展而使zui高采集率下降或儲存深度下降，整個采樣通道是并行進行的，因而可以不考慮通道間的時差。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行工作。動態(tài)分析時，主要是利用它較深的緩沖器儲存足夠的數(shù)據(jù)以供處理之用。系統(tǒng)zui高采樣率為1.25MPa、采樣精度為12bit，能夠及時響應(yīng)閥內(nèi)非定常流動的參數(shù)及其變化。

3.3 壓力信號調(diào)節(jié)儀

壓力信號調(diào)節(jié)儀是一種對壓力信號進行調(diào)節(jié)的儀表，通過調(diào)節(jié)zui后獲得的輸出信號可供顯示與數(shù)據(jù)采集，在試驗中作為高頻動態(tài)采集系統(tǒng)的前置放大器使用。調(diào)節(jié)儀主要由壓力傳感器、傳感器供電電源、測量儀用放大器、限波線路以及整機供電電源5部分組成，可同時對12路壓力信號進行調(diào)理，不僅可以滿足對于不同型號的壓力傳感器信號進行的調(diào)理，同時還可以對其他的電壓信號進行調(diào)理。為減小工頻交流信號的干擾，其輸出部分設(shè)有限波線路，其限波頻率為50±5Hz，因此大大提高了整個調(diào)節(jié)電路的抗干擾能力。

微型動態(tài)壓力傳感器將感受的動態(tài)壓力測量信號先經(jīng)過高頻前置放大器將mV級信號放大，然后輸入高頻動態(tài)采集系統(tǒng)快速并行采集并存儲。再經(jīng)過各種時域、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、進而得到閥內(nèi)非定常流動特性。

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(tǒng)

靜態(tài)壓力測量及其采集系統(tǒng)由3051CD-BC智能型壓力變送器、1151系列壓力變送器、35951C數(shù)據(jù)采集板和35954B數(shù)據(jù)采集接口板以及計算機組合而成，在試驗中主要進行調(diào)節(jié)閥進、出口流量和靜態(tài)壓力等參數(shù)的測量。由于采用實時采集，使壓力等參數(shù)的測量數(shù)據(jù)能及進得到時均值，減小了測量誤差。

4.2 頻譜分析

頻譜分析分析系統(tǒng)由計算機、打印機、顯示器、信號放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件等構(gòu)成。該系統(tǒng)通過計算機采集系統(tǒng)，將零件在外力沖擊作用后的振動特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對其進行頻譜分析，獲得振動信號的各階諧波頻率，即可得到的各階自振頻率。由于調(diào)節(jié)閥振動形式主要表現(xiàn)為閥桿—閥芯的振動，所以試驗中利用頻譜分析系統(tǒng)進行閥桿-閥芯振動信號的頻譜分析。

5 動態(tài)信號處理

調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動具有典型的非定特性，動態(tài)測量能夠準確及時地確定其內(nèi)部流場的瞬時什及其隨時間而變化的量值。動態(tài)測試中數(shù)據(jù)處理分析內(nèi)容廣泛，涉及的問題很多，必須得到真實可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)果，以便找出規(guī)律，其中頻譜分析和波形分析就是動態(tài)數(shù)據(jù)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(qū)別，通過傅立葉變換可以相互轉(zhuǎn)換。頻譜和波形分析與隨機數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)成為信號分析中zui常用的方法。

6 結(jié)語

將試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)合起來分析研究，可以得出結(jié)論：

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

（2）試驗中，將微小傳感器直接插入閥座節(jié)流斷面處和閥芯頭部等閥體內(nèi)的各關(guān)鍵部位，利用高頻動態(tài)采集系統(tǒng)進行多工況范圍和多方位的測量。對閥內(nèi)高頻動態(tài)壓力試驗數(shù)據(jù)，采用頻譜分析和相關(guān)分析方法進行數(shù)據(jù)處理和分析，該方法簡便，實用，可靠。

（3）試驗中，調(diào)節(jié)閥的閥桿-閥芯的振動具有復(fù)雜的成因及形式，與閥內(nèi)非定常氣體流動的脈動有關(guān)。從振型分，有平行與垂直來流兩個方向的橫向振動和軸向振動。從振動性質(zhì)分，有共振和強迫振動。從引起振動的因素分，有旋渦脫落誘發(fā)的振動等，以及這些不同性質(zhì)振動的組合。