标题调节阀动态稳定性试验之信号处理

  1 概述

    调节阀属典型的机械或机电类产品，但它跟手动的阀的最大区别在于其结合了现代信息技术后可通过现场总线技术对其进行精确调节，极大地增强了调节阀在控制系统中的重要地位。调节阀的主要功能是通过改变通流部分的面积进而改变阀后压力、温度、流量等参数以适应不同工况的需要。在某些工况，调节阀内可能由于流体流动强烈的非定常性而影响阀门工作的稳定性，甚至引起阀门的振动。仅就调节阀门安全性而言，阀杆振动和断裂等事故曾经发生。这些现象基本上与流体诱发的阀门不稳定有关，即调节阀内气体（液体）流动的不稳定导致阀门的振动，其中阀杆-阀芯的振动表现比较明显。本文试验利用微小型高频动态压力传感及其采集系统，对引起调节阀杆振动或不稳定的工况进行数据采集、处理和分析，通过动态压力变化和阀杆振动特性测试及相应的结果，研究阀内流场对阀门工作稳定性的影响。

    2 调节阀模型及其试验系统

    调节阀的型腔复杂，流程曲折（图1），试验是在不同压比和相对升程下进行的。

图1 调节阀模型及部分动态压力测点位置

    压比定义为

    ε=P₁/P₀

    式中：P₁—阀后压力，Mpa
          P₀—阀前压力，Mpa

    相对升程定义为

    L_（相对） = L/D_n

    式中：L —调节阀的阀杆提升高度，mm
          D_n—阀芯-阀座间的配合直径，mm

    在阀杆升程较大或全开工况，阀内最小通道是阀座的节流断面处。如果阀杆升程较小，阀芯和阀座形成的环形通道面积也可能小于阀座节流断面处的通流面积。一般将阀芯和阀座上部形成的环形通道称为第一个喷管通道，在升程很小时环形通道的面积是最小通道。将阀座称为第二个喷管通道，其节流断面处是第二个喷管通道中面积最小处。

    为了全面认识阀门内的复杂流动特性，在阀腔进口、阀腔顶端、阀座节流断面处、阀座渐扩段和阀芯头部等部位设置了测点，还在阀座节流断面处和阀芯头部布置多个测点。通过对各测点的测量，进行各点测量数据的处理和结果的关联分析，可以得出在不同工作条件下阀内流动特性。

    试验系统（图2）所用介质为空气。为使进口气流均匀性较好，由高压气源来的空气经过扩压段、稳压段、收敛段后进入调节阀，气流经阀芯和阀座间的环形通道后流入阀座，经阀座渐扩段压后进入排气管道，将排气管道引入地下排气口后排出室外，以降低噪音。气流进口和出口方向成90°。试验中气体流量、压力和温度均有专门的测量管段。

1 进气阀 2 压缩机 3 出气阀 4 压力表 5 温度计 6 旁通阀 7 流量计 8 扩压段
9 稳压段 10 收敛段 11 动态采集系统 12 动态信号放大器 13 阀杆 14 阀芯 15 丝网层

图2 试验原理图

    3 动态压力传感器及数据采集系统

    3.1 微小型动态压力传感器

    为了尽可能减小接触测量对调节阀内的流畅的干扰，采用了美国Kulite传感器公司生产的压阻式动态压力传感器。该传感器集成硅敏感元件，并采用光刻法制成微小尺寸，从而使传感器具有很高的固有频率，低迟滞和优良的热性能和环境性能，优越的静态性能和动态性能，并且牢固耐用。试验选用的是XCQ-062系列，传感器直径Φ=1.6mm，长度L=12mm，工作温度范围为-55～204℃，固有频率为330～500KHz，测量精度为满量程的0.1%。被测介质为非导电性、无腐蚀性的液体和气体。由于传感器微小，试验时设计和制造了专门的紧固装置，以便于安装和拆卸。

    压力传感器在标定时，校准的方法一般包括静态校准和动态校准，而且应该先进行静态校准以确定传感器是线性的，然后才能进行动态校准。但是要给出一些标准的动态压力是比较困难的，所以目前对于动态压力的测量，一般仍采用静态标准。经验表明，只有整个测压系统的响应频率足够高，采用静态标定过的测压系统来测量动态压力，结果有足够的精度。本文试验采用了测压范围为0～0.35MPa和0～0.17MPa两种传感器，满量程输出为100mV，这2种微小型动态压力传感器的静态标定结果如图3所示。

图3 压力传感器的输出特性

    3.2 数据采集系统

    高频动态采集和分析系统可以进行多通道并行动态采集、具有高速、大容量和瞬态数字化的优点，是集测量、分析和结果输出为一体的高性能综合性测量系统。它具有高度稳定的电路设计和仪器结构设计，优良的硬件和软件模块化特性，可方便的应用于瞬态采集和动态过程监测纪录等测试领域，同时可作并行多通道数据采集。各采集通道把数据分别存入各自的缓冲器中，内部计算机通过统一的总线处理这些数据（图4）。

图4 动态测试分析原理

    由于各个通道都自带A/D和缓冲器，因而不会因为通道扩展而使最高采集率下降或储存深度下降，整个采样通道是并行进行的，因而可以不考虑通道间的时差。它的基本工作方式是按采集、处理、再采集和再处理的顺序进行工作。动态分析时，主要是利用它较深的缓冲器储存足够的数据以供处理之用。系统最高采样率为1.25MPa、采样精度为12bit，能够及时响应阀内非定常流动的参数及其变化。

    3.3 压力信号调节仪

    压力信号调节仪是一种对压力信号进行调节的仪表，通过调节最后获得的输出信号可供显示与数据采集，在试验中作为高频动态采集系统的前置放大器使用。调节仪主要由压力传感器、传感器供电电源、测量仪用放大器、限波线路以及整机供电电源5部分组成，可同时对12路压力信号进行调理，不仅可以满足对于不同型号的压力传感器信号进行的调理，同时还可以对其他的电压信号进行调理。为减小工频交流信号的干扰，其输出部分设有限波线路，其限波频率为50±5Hz，因此大大提高了整个调节电路的抗干扰能力。

    微型动态压力传感器将感受的动态压力测量信号先经过高频前置放大器将mV级信号放大，然后输入高频动态采集系统快速并行采集并存储。再经过各种时域、频域和滤波信号处理得到真正的有用信号，最终绘制出其特征曲线、进而得到阀内非定常流动特性。

    4 静态压力测量采集和频谱分析

    4.1 表态压力测量及其采集系统

    静态压力测量及其采集系统由3051CD-BC智能型压力变送器、1151系列压力变送器、35951C数据采集板和35954B数据采集接口板以及计算机组合而成，在试验中主要进行调节阀进、出口流量和静态压力等参数的测量。由于采用实时采集，使压力等参数的测量数据能及进得到时均值，减小了测量误差。

    4.2 频谱分析

    频谱分析分析系统由计算机、打印机、显示器、信号放大器、滤波器、数据采集器和分析软件等构成。该系统通过计算机采集系统，将零件在外力冲击作用后的振动特性转换为数字信号，对其进行频谱分析，获得振动信号的各阶谐波频率，即可得到的各阶自振频率。由于调节阀振动形式主要表现为阀杆—阀芯的振动，所以试验中利用频谱分析系统进行阀杆-阀芯振动信号的频谱分析。

    5 动态信号处理

    调节阀内的流动具有典型的非定特性，动态测量能够准确及时地确定其内部流场的瞬时什及其随时间而变化的量值。动态测试中数据处理分析内容广泛，涉及的问题很多，必须得到真实可靠的数据和结果，以便找出规律，其中频谱分析和波形分析就是动态数据处理中最重要的和最基本的方法。频谱分析和波形分析既相互独立又密切相关，它们之间有明显的区别，通过傅立叶变换可以相互转换。频谱和波形分析与随机数据处理方法已经成为信号分析中最常用的方法。

    6 结语

    将试验数据处理结果和数值模拟结合起来分析研究，可以得出结论：

    （1）由于研制和使用了整套研究调节阀工作稳定性的试验系统，包括调节阀高频动态压力测试试验平台、微小型压阻式高频动态压力传感器等测试设备和技术，可以研究阀体内液体诱发振动机理。

    （2）试验中，将微小传感器直接插入阀座节流断面处和阀芯头部等阀体内的各关键部位，利用高频动态采集系统进行多工况范围和多方位的测量。对阀内高频动态压力试验数据，采用频谱分析和相关分析方法进行数据处理和分析，该方法简便，实用，可靠。

    （3）试验中，调节阀的阀杆-阀芯的振动具有复杂的成因及形式，与阀内非定常气体流动的脉动有关。从振型分，有平行与垂直来流两个方向的横向振动和轴向振动。从振动性质分，有共振和强迫振动。从引起振动的因素分，有旋涡脱落诱发的振动等，以及这些不同性质振动的组合。