調節閥動態穩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生產的調節閥為研究對象，通過在閥座節流斷面處、閥芯頭部等閥體內各關鍵部位設置測點，利用微小型高頻動態壓力傳感器及其采集系統，進行多種工況和多個方位的試驗研究，對流場動態壓力信號進行采集、處理和分析，探討由于閥內氣體流動引發的閥門工作的穩定性。
1 概述
調節閥屬典型的機械或機電類產品，但它跟手動的閥的zui大區別在于其結合了現代信息技術后可通過現場總線技術對其進行調節，極大地增強了調節閥在控制系統中的重要地位。調節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、流量等參數以適應不同工況的需要。在某些工況，調節閥內可能由于流體流動強烈的非定常性而影響閥門工作的穩定性，甚至引起閥門的振動。僅就調節閥門安全性而言，閥桿振動和斷裂等事故曾經發生。這些現象基本上與流體誘發的閥門不穩定有關，即調節閥內氣體（液體）流動的不穩定導致閥門的振動，其中閥桿-閥芯的振動表現比較明顯。本文試驗利用微小型高頻動態壓力傳感及其采集系統，對引起調節閥桿振動或不穩定的工況進行數據采集、處理和分析，通過動態壓力變化和閥桿振動特性測試及相應的結果，研究閥內流場對閥門工作穩定性的影響。
2 調節閥模型及其試驗系統
調節閥的型腔復雜，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 調節閥模型及部分動態壓力測點位置
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 —調節閥的閥桿提升高度，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zui小通道是閥座的節流斷面處。如果閥桿升程較小，閥芯和閥座形成的環形通道面積也可能小于閥座節流斷面處的通流面積。一般將閥芯和閥座上部形成的環形通道稱為*個噴管通道，在升程很小時環形通道的面積是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的復雜流動特性，在閥腔進口、閥腔頂端、閥座節流斷面處、閥座漸擴段和閥芯頭部等部位設置了測點，還在閥座節流斷面處和閥芯頭部布置多個測點。通過對各測點的測量，進行各點測量數據的處理和結果的關聯分析，可以得出在不同工作條件下閥內流動特性。
試驗系統（圖2）所用介質為空氣。為使進口氣流均勻性較好，由高壓氣源來的空氣經過擴壓段、穩壓段、收斂段后進入調節閥，氣流經閥芯和閥座間的環形通道后流入閥座，經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 穩壓段 10 收斂段 11 動態采集系統 12 動態信號放大器 13 閥桿 14 閥芯 15 絲網層
圖2 試驗原理圖
3 動態壓力傳感器及數據采集系統
3.1 微小型動態壓力傳感器
為了盡可能減小接觸測量對調節閥內的流暢的干擾，采用了美國Kulite傳感器公司生產的壓阻式動態壓力傳感器。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，低遲滯和優良的熱性能和環境性能，*的靜態性能和動態性能，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%。被測介質為非導電性、無腐蝕性的液體和氣體。由于傳感器微小，試驗時設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校準和動態校準，而且應該先進行靜態校準以確定傳感器是線性的，然后才能進行動態校準。但是要給出一些標準的動態壓力是比較困難的，所以目前對于動態壓力的測量，一般仍采用靜態標準。經驗表明，只有整個測壓系統的響應頻率足夠高，采用靜態標定過的測壓系統來測量動態壓力，結果有足夠的精度。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種微小型動態壓力傳感器的靜態標定結果如圖3所示。
圖3 壓力傳感器的輸出特性
3.2 數據采集系統
高頻動態采集和分析系統可以進行多通道并行動態采集、具有高速、大容量和瞬態數字化的優點，是集測量、分析和結果輸出為一體的高性能綜合性測量系統。它具有高度穩定的電路設計和儀器結構設計，優良的硬件和軟件模塊化特性，可方便的應用于瞬態采集和動態過程監測紀錄等測試領域，同時可作并行多通道數據采集。各采集通道把數據分別存入各自的緩沖器中，內部計算機通過統一的總線處理這些數據（圖4）。
圖4 動態測試分析原理
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。動態分析時，主要是利用它較深的緩沖器儲存足夠的數據以供處理之用。系統zui高采樣率為1.25MPa、采樣精度為12bit，能夠及時響應閥內非定常流動的參數及其變化。
3.3 壓力信號調節儀
壓力信號調節儀是一種對壓力信號進行調節的儀表，通過調節zui后獲得的輸出信號可供顯示與數據采集，在試驗中作為高頻動態采集系統的前置放大器使用。調節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理，同時還可以對其他的電壓信號進行調理。為減小工頻交流信號的干擾，其輸出部分設有限波線路，其限波頻率為50±5Hz，因此大大提高了整個調節電路的抗干擾能力。
微型動態壓力傳感器將感受的動態壓力測量信號先經過高頻前置放大器將mV級信號放大，然后輸入高頻動態采集系統快速并行采集并存儲。再經過各種時域、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、進而得到閥內非定常流動特性。
4 靜態壓力測量采集和頻譜分析
4.1 表態壓力測量及其采集系統
靜態壓力測量及其采集系統由3051CD-BC智能型壓力變送器、1151系列壓力變送器、35951C數據采集板和35954B數據采集接口板以及計算機組合而成，在試驗中主要進行調節閥進、出口流量和靜態壓力等參數的測量。由于采用實時采集，使壓力等參數的測量數據能及進得到時均值，減小了測量誤差。
4.2 頻譜分析
頻譜分析分析系統由計算機、打印機、顯示器、信號放大器、濾波器、數據采集器和分析軟件等構成。該系統通過計算機采集系統，將零件在外力沖擊作用后的振動特性轉換為數字信號，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。由于調節閥振動形式主要表現為閥桿—閥芯的振動，所以試驗中利用頻譜分析系統進行閥桿-閥芯振動信號的頻譜分析。
5 動態信號處理
調節閥內的流動具有典型的非定特性，動態測量能夠準確及時地確定其內部流場的瞬時什及其隨時間而變化的量值。動態測試中數據處理分析內容廣泛，涉及的問題很多，必須得到真實可靠的數據和結果，以便找出規律，其中頻譜分析和波形分析就是動態數據處理中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，它們之間有明顯的區別，通過傅立葉變換可以相互轉換。頻譜和波形分析與隨機數據處理方法已經成為信號分析中zui常用的方法。
6 結語
將試驗數據處理結果和數值模擬結合起來分析研究，可以得出結論：
（1）由于研制和使用了整套研究調節閥工作穩定性的試驗系統，包括調節閥高頻動態壓力測試試驗平臺、微小型壓阻式高頻動態壓力傳感器等測試設備和技術，可以研究閥體內液體誘發振動機理。
（2）試驗中，將微小傳感器直接插入閥座節流斷面處和閥芯頭部等閥體內的各關鍵部位，利用高頻動態采集系統進行多工況范圍和多方位的測量。對閥內高頻動態壓力試驗數據，采用頻譜分析和相關分析方法進行數據處理和分析，該方法簡便，實用，可靠。
（3）試驗中，調節閥的閥桿-閥芯的振動具有復雜的成因及形式，與閥內非定常氣體流動的脈動有關。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，有旋渦脫落誘發的振動等，以及這些不同性質振動的組合。
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