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旋进旋涡流量计实验研究与结果分析
发布时间：2024-06-12 09:22:47
1.实验平台搭建
旋进旋涡流量计实验平台示意图如图4所示,主要由标准装置、管道、PCle-6320数据采集卡、流量计信号采集电路和DN50气体旋进旋涡流量计实验样机组成。
实验所用的标准装置精度为0.25级,实验样机的量程为8~120m3/h,精度为1.5级,则旋涡进动频率大致范围为45~750Hz。信号采集由计算机上的Lab-VIEW软件控制数据采集卡完成,根据奈奎斯特采样定理,设置信号采样频率为4kHz,保证采样的信号不失真。另外,为了减小数据处理过程中的误差,提高频率分辨率,设置采样时间为5s,使用20000个数据点进行分析计算。
2.信号处理结果分析.
由于旋进旋涡流量计在不同流量下对瞬态冲击振动的响应不同,同时,在旋进旋涡流量计行业标准中通过引人分界流量qt对不同范围内的精度与重复性做了相关规定,因此,本文分别对高流量区和低流量区的振动信号响应进行分析,分界流量为量程最大值的1/5,因此,取分界流量qt为24m3/h。
2.1 高流量区信号处理
高流量区以流量点41.7m3/h的瞬时流量信号为例。在流量稳定的情况下完成采集并去除信号中的直流分量并进行处理,由于对信号已进行低通滤波处理,频谱分析得到的结果中1kHz以上的信号对应幅值基本为0,在图中不做展示,得到的无振动情况下的旋涡信号的时域与频域结果图如图5所示。从结果图中均可以看出,旋涡信号近似于正弦信号,与理论分.析相符,信号频率即为频谱图中尖峰对应的频率,通过FFT计算得到结果为258.1Hz。
对实验平台的管道施加3~4Hz的敲击振动,得到的时域与频域结果如图6所示。从结果可以看出,振动信号的初始峰值与旋涡信号的幅值基本一致,同时两者的频谱图基本相同,计算得到的信号频率值为257.1Hz,与稳定状态下的测量结果基本--致。因此，在高流量区由于旋涡信号本身的能量较大,叠加的振动信号不会影响旋涡频率的测量结果,可以直接通过FFT分析获得旋涡频率。
2.2 低流量区信号处理
低流量区以流量点9.0m3/h的瞬时流量信号为例,采集得到的无振动情况下的旋涡信号的时域与频谱图如图7所示,200Hz以上的信号分量基本为0,未在结果图中展示。从结果可以看出,虽然存在一部分高频噪声，旋涡信号的幅值有跳动的情况，但仍然不会影响流量计的测量结果,同高流量区采用相同的方法计算信号频率为54.0Hz。
同样对实验平台的管道施加3~4Hz的敲击振动,得到的时域与频域结果如图8所示，为了便于后续的分析与比较,时域图显示其中1s内的波形。从结果可看出,由于振动信号的初始峰值与旋涡信号的幅值不在同一量级,FFT分析得到振动信号对应的尖峰高于旋涡信号,因此,无法直接得到旋涡信号的频率对于这种非平稳信号,可以通过经验模态分解(EMD)提取振动信号对应的本征模态函数(IMF),差分处理后再进行FFT变换获得旋涡信号频率。
定义为IMF的条件有以下2个:
(1)整个信号中,极值点数量必须与过零点数量相等或差值为1;
(2)在任意时刻,信号极大值与极小值包络的均值为零。
原始信号x(t)分解过程为:首先提取信号的极大值与极小值,通过三次样条插值得到包络信号计算其平均值mi(t),判断差值hi(t)=x(t)-mi(t)是否为IMF分量,如果不是,则将差值作为下一次分解目标并重复以上步骤,直到得到本征模态函数IMFk(t)。每次提取IMF后，从原始信号中减去对应的本征模态函.数,再进行下一次分解,直到最后的信号中不存在IMF,最终,原始信号可以表示为
式中:n为IMF的个数;e(t)为信号的残差。
上述信号进行分解后得到的一阶本征模态函数时域与频域结果如图9所示。从结果可以看出,EMD处理后得到的本征模态函数基本保留了原有振动信号的所有特征,幅值较大处对应的频率基本--致。
将两种信号差分处理,对应的信号时域与频域结果如图10所示。从结果可以看出,振动信号的能量得到有效去除,频谱图基本不存在高频振动信号,计算频谱图中尖峰峰值对应的频率为54.0Hz,与稳定条件下的旋涡信号频率-致,证明本方案在实际应用中具有可行性。
3.流量计性能测试
按照JJG1121-2015《旋进旋涡流量计》的检定要求,对流量计进行标定,得到瞬时流量Q(m3/h)与频率ƒ(Hz)之间的函数关系式如下:
对实验平台管道施加3~4Hz的振动信号,在旋进旋涡流量计的量程内,任取10个流量点,每个流量点重复进行3次实验，实验结果如表1所示。
测量误差与重复性曲线如图11所示,低流量区的最大测量误差和重复性分别为-0.5%和0.4%,高流量区的最大测量误差分别为-0.9%和0.24%,根据旋进旋涡流量计检定规程要求,低流量区8~24m'/h最大允许误差范围为3.0%,重复性小于1.0%;高流量区24~120m3/h最大允许误差范围为1.5%,重复性小于0.5%。综合以上分析,所有指标均在规定的范围内,符合旋进旋涡流量计的性能要求。
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