調節閥動(dong)態(tai)穩定(ding)性(xing)試驗(yan)之信(xin)號(hao)處(chu)理
核(he)心(xin)提(ti)示(shi)：以(yi)上(shang)海(hai)惠高(gao)閥(fa)門制(zhi)造有限(xian)公(gong)司開(kai)發(fa)生產(chan)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)為研(yan)究對(dui)象，通(tong)過(guo)在(zai)閥座節流(liu)斷面(mian)處(chu)、閥(fa)芯頭(tou)部等閥體內各(ge)關(guan)鍵(jian)部位(wei)設置(zhi)測(ce)點(dian)，利用微小型(xing)高(gao)頻(pin)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)及(ji)其采(cai)集(ji)系(xi)統，進行多(duo)種工(gong)況和(he)多個方位的(de)試驗研究，對(dui)流(liu)場動(dong)態壓(ya)力信(xin)號(hao)進行采(cai)集、處(chu)理和(he)分析，探(tan)討(tao)由於(yu)閥內氣(qi)體流(liu)動引(yin)發(fa)的(de)閥門工(gong)作的穩定(ding)性(xing)。
1 概述(shu)

調節(jie)閥(fa)屬(shu)典(dian)型(xing)的機械或(huo)機電類(lei)產(chan)品，但(dan)它跟手(shou)動的(de)閥(fa)的(de)zui大(da)區(qu)別在(zai)於其結合(he)了現代(dai)信(xin)息(xi)技術後可通(tong)過(guo)現場總(zong)線技術對(dui)其進行調(tiao)節，極(ji)大(da)地(di)增強(qiang)了調(tiao)節閥在控(kong)制(zhi)系(xi)統中(zhong)的(de)重要地位(wei)。調節(jie)閥(fa)的(de)主(zhu)要功(gong)能是通過改(gai)變通流(liu)部分的(de)面積(ji)進而改(gai)變閥後壓(ya)力、溫(wen)度、流(liu)量等參數以(yi)適(shi)應不同工況(kuang)的需(xu)要。在某(mou)些工況(kuang)，調(tiao)節閥內可能(neng)由(you)於(yu)流(liu)體流(liu)動強(qiang)烈(lie)的非定(ding)常(chang)性(xing)而影響(xiang)閥門(men)工作的穩定(ding)性(xing)，甚(shen)至(zhi)引起閥門(men)的(de)振動。僅(jin)就(jiu)調(tiao)節閥門安(an)全(quan)性(xing)而言，閥桿(gan)振動和(he)斷裂等事(shi)故曾(zeng)經發(fa)生。這些現象基本上(shang)與(yu)流(liu)體誘(you)發的閥(fa)門不穩定(ding)有(you)關(guan)，即(ji)調(tiao)節(jie)閥內氣(qi)體（液體）流(liu)動的(de)不穩定(ding)導致閥(fa)門的(de)振(zhen)動(dong)，其中(zhong)閥(fa)桿(gan)-閥芯的振動(dong)表現比較(jiao)明顯(xian)。本文(wen)試驗(yan)利用微小型(xing)高(gao)頻(pin)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)及(ji)其采(cai)集(ji)系(xi)統，對(dui)引起調節(jie)閥(fa)桿(gan)振動或不穩定(ding)的(de)工(gong)況(kuang)進行數據(ju)采(cai)集(ji)、處理和(he)分析，通(tong)過(guo)動態(tai)壓(ya)力變化和(he)閥桿(gan)振動特性(xing)測(ce)試(shi)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)結果(guo)，研究閥內流(liu)場對(dui)閥門(men)工(gong)作穩定(ding)性(xing)的影(ying)響(xiang)。

2 調節(jie)閥模型(xing)及(ji)其試(shi)驗(yan)系(xi)統

調節(jie)閥(fa)的型(xing)腔(qiang)復雜，流(liu)程(cheng)曲折（圖(tu)1），試(shi)驗(yan)是(shi)在不同壓(ya)比和(he)相(xiang)對(dui)升(sheng)程(cheng)下(xia)進行的(de)。

圖(tu)1 調(tiao)節(jie)閥(fa)模型(xing)及(ji)部分動(dong)態壓(ya)力測(ce)點(dian)位置(zhi)

壓(ya)比定(ding)義(yi)為

ε=P1/P0

式(shi)中(zhong)：P1—閥(fa)後壓(ya)力，Mpa
P0—閥(fa)前壓(ya)力，Mpa

相(xiang)對(dui)升(sheng)程(cheng)定(ding)義(yi)為

L（相(xiang)對(dui)） = L/Dn

式中(zhong)：L —調(tiao)節閥(fa)的(de)閥桿(gan)提升(sheng)高(gao)度(du)，mm
Dn—閥芯(xin)-閥座間(jian)的(de)配(pei)合(he)直徑(jing)，mm

在(zai)閥桿(gan)升(sheng)程(cheng)較(jiao)大(da)或(huo)全(quan)開(kai)工(gong)況，閥(fa)內zui小通道(dao)是閥(fa)座的節(jie)流(liu)斷面(mian)處(chu)。如(ru)果(guo)閥桿(gan)升(sheng)程(cheng)較(jiao)小，閥芯(xin)和(he)閥座形(xing)成(cheng)的(de)環形(xing)通道面(mian)積(ji)也可能(neng)小於閥(fa)座節流(liu)斷面(mian)處(chu)的(de)通流(liu)面積(ji)。壹(yi)般(ban)將(jiang)閥芯和(he)閥座上(shang)部形(xing)成(cheng)的(de)環形(xing)通道稱為*個(ge)噴管通道(dao)，在(zai)升(sheng)程(cheng)很小時環形(xing)通道的(de)面(mian)積(ji)是(shi)zui小通道(dao)。將(jiang)閥座稱為第(di)二(er)個噴管通道(dao)，其節(jie)流(liu)斷面(mian)處(chu)是(shi)第二(er)個噴管通道(dao)中(zhong)面(mian)積(ji)zui小處。

為了全(quan)面認識閥(fa)門(men)內的(de)復雜流(liu)動特(te)性(xing)，在閥(fa)腔(qiang)進口(kou)、閥腔(qiang)頂(ding)端(duan)、閥座節流(liu)斷面(mian)處(chu)、閥(fa)座漸擴(kuo)段(duan)和(he)閥芯頭(tou)部等部位(wei)設置(zhi)了測(ce)點(dian)，還在(zai)閥(fa)座節流(liu)斷面(mian)處(chu)和(he)閥芯頭(tou)部布(bu)置(zhi)多個測(ce)點(dian)。通過(guo)對(dui)各測(ce)點(dian)的測(ce)量(liang)，進行各(ge)點(dian)測(ce)量(liang)數據(ju)的(de)處(chu)理和(he)結果(guo)的關(guan)聯分析，可以(yi)得(de)出(chu)在不同工作條件下(xia)閥(fa)內流(liu)動特(te)性(xing)。

試驗(yan)系(xi)統（圖(tu)2）所(suo)用介質(zhi)為空(kong)氣(qi)。為使進口(kou)氣流(liu)均勻性(xing)較(jiao)好，由(you)高(gao)壓(ya)氣源(yuan)來(lai)的(de)空氣經過(guo)擴(kuo)壓(ya)段、穩壓(ya)段、收(shou)斂段後進入調(tiao)節閥(fa)，氣流(liu)經閥(fa)芯和(he)閥座間(jian)的(de)環形(xing)通道後流(liu)入閥(fa)座，經閥(fa)座漸擴(kuo)段(duan)壓(ya)後進入排(pai)氣管道，將(jiang)排氣管道引(yin)入(ru)地下(xia)排(pai)氣口(kou)後排出(chu)室外(wai)，以(yi)降低噪(zao)音。氣(qi)流(liu)進口(kou)和(he)出(chu)口(kou)方向成(cheng)90°。試(shi)驗中(zhong)氣(qi)體流(liu)量、壓(ya)力和(he)溫(wen)度均有專(zhuan)門的(de)測(ce)量(liang)管段。

1 進氣閥(fa) 2 壓(ya)縮機 3 出(chu)氣閥(fa) 4 壓(ya)力表(biao) 5 溫(wen)度計(ji) 6 旁(pang)通(tong)閥 7 流(liu)量計(ji) 8 擴(kuo)壓(ya)段
9 穩壓(ya)段 10 收(shou)斂段 11 動態采(cai)集(ji)系(xi)統 12 動態(tai)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)器(qi) 13 閥(fa)桿(gan) 14 閥芯 15 絲網層(ceng)

圖(tu)2 試(shi)驗(yan)原(yuan)理圖(tu)

3 動(dong)態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)及(ji)數據(ju)采(cai)集(ji)系(xi)統

3.1 微小型(xing)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)

為了盡可能(neng)減(jian)小接(jie)觸(chu)測(ce)量(liang)對(dui)調節(jie)閥(fa)內的(de)流(liu)暢的(de)幹擾(rao)，采用了美(mei)國(guo)Kulite傳感(gan)器(qi)公(gong)司生產的(de)壓(ya)阻式(shi)動(dong)態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)。該(gai)傳感(gan)器(qi)集(ji)成(cheng)矽(gui)敏(min)感元件，並(bing)采(cai)用光刻法(fa)制(zhi)成(cheng)微(wei)小尺寸，從(cong)而使傳感(gan)器(qi)具(ju)有(you)很高(gao)的(de)固有(you)頻(pin)率(lv)，低遲(chi)滯(zhi)和(he)優良(liang)的(de)熱(re)性(xing)能和(he)環境性(xing)能，*的(de)靜態(tai)性(xing)能和(he)動態性(xing)能，並(bing)且(qie)牢(lao)固耐(nai)用。試驗選用的是XCQ-062系(xi)列(lie)，傳感(gan)器(qi)直徑(jing)Φ=1.6mm，長度(du)L=12mm，工作溫(wen)度範(fan)圍(wei)為-55～204℃，固有(you)頻(pin)率(lv)為330～500KHz，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)為滿量程(cheng)的0.1%。被(bei)測(ce)介(jie)質(zhi)為非導電性(xing)、無腐(fu)蝕(shi)性(xing)的液體和(he)氣體。由(you)於傳感(gan)器(qi)微(wei)小，試驗(yan)時設計(ji)和(he)制(zhi)造了專(zhuan)門的緊固裝(zhuang)置(zhi)，以(yi)便於(yu)安(an)裝(zhuang)和(he)拆卸。

壓(ya)力傳感(gan)器(qi)在(zai)標(biao)定(ding)時，校準(zhun)的(de)方法(fa)壹般(ban)包括(kuo)靜(jing)態(tai)校準(zhun)和(he)動態校準(zhun)，而且(qie)應(ying)該(gai)先進行靜(jing)態校準(zhun)以(yi)確定(ding)傳感(gan)器(qi)是(shi)線(xian)性(xing)的，然(ran)後才能(neng)進行動(dong)態校準(zhun)。但(dan)是要給出(chu)壹些標(biao)準(zhun)的(de)動態(tai)壓(ya)力是(shi)比(bi)較(jiao)困難(nan)的(de)，所以(yi)目(mu)前對(dui)於動(dong)態(tai)壓(ya)力的(de)測(ce)量(liang)，壹(yi)般(ban)仍(reng)采用靜態標(biao)準(zhun)。經驗(yan)表明(ming)，只(zhi)有整個測(ce)壓(ya)系(xi)統的響(xiang)應頻(pin)率(lv)足(zu)夠高(gao)，采(cai)用靜態標(biao)定(ding)過(guo)的(de)測(ce)壓(ya)系(xi)統來測(ce)量(liang)動(dong)態(tai)壓(ya)力，結果(guo)有足(zu)夠的精(jing)度(du)。本(ben)文(wen)試驗(yan)采(cai)用了測(ce)壓(ya)範圍(wei)為0～0.35MPa和(he)0～0.17MPa兩種(zhong)傳感(gan)器(qi)，滿量程(cheng)輸出(chu)為100mV，這2種(zhong)微小型(xing)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)的(de)靜(jing)態標(biao)定(ding)結果(guo)如圖(tu)3所(suo)示(shi)。

圖(tu)3 壓(ya)力傳感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)特性(xing)

3.2 數據(ju)采(cai)集(ji)系(xi)統

高(gao)頻(pin)動態(tai)采集(ji)和(he)分析系(xi)統可以(yi)進行多(duo)通道(dao)並(bing)行(xing)動態采集(ji)、具(ju)有(you)高(gao)速(su)、大(da)容(rong)量(liang)和(he)瞬態數字化的優點(dian)，是集(ji)測(ce)量(liang)、分析和(he)結果(guo)輸出(chu)為壹(yi)體的(de)高(gao)性(xing)能綜(zong)合性(xing)測(ce)量(liang)系(xi)統。它具(ju)有高(gao)度(du)穩定(ding)的(de)電(dian)路(lu)設計(ji)和(he)儀器(qi)結構(gou)設(she)計(ji)，優良(liang)的(de)硬(ying)件和(he)軟(ruan)件模塊(kuai)化特性(xing)，可方(fang)便(bian)的(de)應用於瞬態采集和(he)動態過程(cheng)監(jian)測(ce)紀(ji)錄等測(ce)試(shi)領(ling)域(yu)，同時可作並(bing)行(xing)多通道數據(ju)采(cai)集(ji)。各采集(ji)通(tong)道把(ba)數據(ju)分別(bie)存入(ru)各自(zi)的(de)緩(huan)沖器(qi)中(zhong)，內部計(ji)算(suan)機通過(guo)統壹的(de)總(zong)線處理這些數據(ju)（圖(tu)4）。

圖(tu)4 動(dong)態(tai)測(ce)試(shi)分析原(yuan)理

由於各(ge)個(ge)通道(dao)都(dou)自帶A/D和(he)緩(huan)沖器(qi)，因(yin)而不會(hui)因(yin)為通(tong)道(dao)擴(kuo)展而使zui高(gao)采(cai)集率(lv)下(xia)降或(huo)儲(chu)存深(shen)度下(xia)降，整(zheng)個(ge)采(cai)樣通(tong)道(dao)是(shi)並(bing)行(xing)進行的(de)，因(yin)而可以(yi)不考(kao)慮通(tong)道(dao)間(jian)的(de)時差(cha)。它的(de)基本工(gong)作方式(shi)是(shi)按采(cai)集(ji)、處(chu)理、再采集(ji)和(he)再處理的順(shun)序進行工(gong)作。動態(tai)分析時，主要是利用它較(jiao)深(shen)的緩(huan)沖器(qi)儲(chu)存足(zu)夠的數據(ju)以(yi)供處理之用。系(xi)統zui高(gao)采(cai)樣率(lv)為1.25MPa、采(cai)樣精(jing)度(du)為12bit，能(neng)夠及(ji)時響(xiang)應閥(fa)內非定(ding)常(chang)流(liu)動的(de)參(can)數及(ji)其變化。

3.3 壓(ya)力信(xin)號(hao)調(tiao)節(jie)儀(yi)

壓(ya)力信(xin)號(hao)調(tiao)節(jie)儀(yi)是壹種對(dui)壓(ya)力信(xin)號(hao)進行調(tiao)節的(de)儀表，通過(guo)調(tiao)節zui後獲(huo)得(de)的輸出(chu)信(xin)號(hao)可供顯(xian)示與(yu)數據(ju)采(cai)集(ji)，在試驗(yan)中(zhong)作為高(gao)頻(pin)動態(tai)采集(ji)系(xi)統的前置放(fang)大(da)器(qi)使用。調節儀主(zhu)要由壓(ya)力傳感(gan)器(qi)、傳感(gan)器(qi)供電電(dian)源、測(ce)量(liang)儀(yi)用放(fang)大(da)器(qi)、限(xian)波線(xian)路以(yi)及(ji)整機供電電(dian)源5部分組(zu)成(cheng)，可同時對(dui)12路壓(ya)力信(xin)號(hao)進行調(tiao)理，不僅(jin)可以(yi)滿足(zu)對(dui)於不同型(xing)號的(de)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)進行的(de)調理，同時還可以(yi)對(dui)其他的電壓(ya)信(xin)號(hao)進行調(tiao)理。為減(jian)小工頻(pin)交流(liu)信(xin)號(hao)的(de)幹擾(rao)，其輸(shu)出(chu)部分設(she)有限(xian)波線(xian)路，其限(xian)波頻(pin)率(lv)為50±5Hz，因(yin)此(ci)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了整(zheng)個調節電(dian)路(lu)的(de)抗(kang)幹擾(rao)能力(li)。

微(wei)型(xing)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)將(jiang)感受的(de)動態(tai)壓(ya)力測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)先經過(guo)高(gao)頻(pin)前置放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)mV級信(xin)號(hao)放(fang)大(da)，然(ran)後輸入(ru)高(gao)頻(pin)動態(tai)采集(ji)系(xi)統快速(su)並(bing)行(xing)采集並(bing)存(cun)儲(chu)。再經過(guo)各種(zhong)時域(yu)、頻(pin)域(yu)和(he)濾波信(xin)號(hao)處(chu)理得(de)到真正(zheng)的(de)有用信(xin)號(hao)，zui終(zhong)繪(hui)制(zhi)出(chu)其特(te)征曲線、進而得(de)到閥內非定(ding)常(chang)流(liu)動特(te)性(xing)。

4 靜態(tai)壓(ya)力測(ce)量(liang)采(cai)集(ji)和(he)頻譜(pu)分析

4.1 表(biao)態(tai)壓(ya)力測(ce)量(liang)及(ji)其采(cai)集(ji)系(xi)統

靜態(tai)壓(ya)力測(ce)量(liang)及(ji)其采(cai)集(ji)系(xi)統由3051CD-BC智(zhi)能(neng)型(xing)壓(ya)力變送器(qi)、1151系(xi)列(lie)壓(ya)力變送器(qi)、35951C數據(ju)采(cai)集(ji)板(ban)和(he)35954B數據(ju)采(cai)集(ji)接(jie)口(kou)板(ban)以(yi)及(ji)計(ji)算(suan)機組(zu)合而成(cheng)，在(zai)試驗中(zhong)主(zhu)要進行調(tiao)節閥(fa)進、出(chu)口(kou)流(liu)量和(he)靜態壓(ya)力等參數的測(ce)量(liang)。由(you)於(yu)采用實時采集(ji)，使壓(ya)力等參數的測(ce)量(liang)數據(ju)能(neng)及(ji)進得(de)到時均值(zhi)，減小了測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。

4.2 頻(pin)譜(pu)分析

頻(pin)譜(pu)分析分析系(xi)統由計(ji)算(suan)機、打(da)印機、顯(xian)示器(qi)、信(xin)號(hao)放(fang)大(da)器(qi)、濾波器(qi)、數據(ju)采(cai)集(ji)器(qi)和(he)分析軟(ruan)件等構(gou)成(cheng)。該(gai)系(xi)統通過(guo)計(ji)算(suan)機采集(ji)系(xi)統，將(jiang)零件(jian)在外(wai)力(li)沖(chong)擊(ji)作用後的振(zhen)動(dong)特性(xing)轉換(huan)為數字信(xin)號(hao)，對(dui)其進行頻(pin)譜(pu)分析，獲(huo)得(de)振動信(xin)號(hao)的(de)各(ge)階(jie)諧波頻(pin)率(lv)，即可得(de)到的各階(jie)自(zi)振(zhen)頻(pin)率(lv)。由於(yu)調(tiao)節閥(fa)振動(dong)形(xing)式主要表現為閥(fa)桿(gan)—閥芯的振動(dong)，所以(yi)試驗(yan)中(zhong)利用頻譜(pu)分析系(xi)統進行閥(fa)桿(gan)-閥芯振動信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)譜(pu)分析。

5 動(dong)態(tai)信(xin)號(hao)處(chu)理

調節閥(fa)內的(de)流(liu)動具(ju)有(you)典(dian)型(xing)的非定(ding)特(te)性(xing)，動態(tai)測(ce)量(liang)能(neng)夠準(zhun)確(que)及(ji)時地確(que)定(ding)其內部流(liu)場的(de)瞬時什及(ji)其隨時間(jian)而變化的量(liang)值(zhi)。動態(tai)測(ce)試(shi)中(zhong)數據(ju)處(chu)理分析內容(rong)廣(guang)泛(fan)，涉(she)及(ji)的問(wen)題很多，必須得(de)到真實可靠(kao)的數據(ju)和(he)結果(guo)，以(yi)便找(zhao)出(chu)規律，其中(zhong)頻(pin)譜(pu)分析和(he)波形(xing)分析就(jiu)是(shi)動態數據(ju)處(chu)理中(zhong)zui重要的和(he)zui基本的(de)方(fang)法(fa)。頻譜(pu)分析和(he)波形(xing)分析既(ji)相(xiang)互獨立(li)又(you)密切相(xiang)關(guan)，它們(men)之間(jian)有(you)明(ming)顯(xian)的區(qu)別，通(tong)過傅立(li)葉變換(huan)可以(yi)相(xiang)互轉換(huan)。頻譜(pu)和(he)波形(xing)分析與(yu)隨機數據(ju)處(chu)理方法(fa)已經成(cheng)為信(xin)號(hao)分析中(zhong)zui常(chang)用的方法(fa)。

6 結語(yu)

將(jiang)試驗數據(ju)處(chu)理結果(guo)和(he)數值(zhi)模擬結合(he)起來分析研(yan)究，可以(yi)得(de)出(chu)結論：

（1）由於(yu)研(yan)制(zhi)和(he)使用了整(zheng)套研究調節閥工作穩定(ding)性(xing)的試(shi)驗系(xi)統，包括(kuo)調(tiao)節(jie)閥(fa)高(gao)頻(pin)動態(tai)壓(ya)力測(ce)試(shi)試(shi)驗(yan)平臺、微小型(xing)壓(ya)阻式(shi)高(gao)頻(pin)動態(tai)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)等測(ce)試(shi)設(she)備和(he)技術，可以(yi)研究閥體內液體誘(you)發振動(dong)機理。

（2）試驗中(zhong)，將(jiang)微小傳感(gan)器(qi)直接(jie)插入(ru)閥(fa)座節流(liu)斷面(mian)處(chu)和(he)閥芯頭(tou)部等閥體內的(de)各(ge)關(guan)鍵(jian)部位(wei)，利用高(gao)頻(pin)動態(tai)采集(ji)系(xi)統進行多(duo)工況(kuang)範圍(wei)和(he)多方位的測(ce)量(liang)。對(dui)閥內高(gao)頻(pin)動態(tai)壓(ya)力試(shi)驗(yan)數據(ju)，采(cai)用頻譜(pu)分析和(he)相(xiang)關(guan)分析方(fang)法(fa)進行數據(ju)處(chu)理和(he)分析，該(gai)方(fang)法(fa)簡(jian)便(bian)，實用，可靠(kao)。

（3）試驗(yan)中(zhong)，調(tiao)節閥(fa)的(de)閥桿(gan)-閥芯的振動(dong)具有(you)復雜的(de)成(cheng)因(yin)及(ji)形(xing)式，與(yu)閥(fa)內非定(ding)常(chang)氣(qi)體流(liu)動的(de)脈(mai)動(dong)有關(guan)。從(cong)振(zhen)型(xing)分，有(you)平行與(yu)垂直來流(liu)兩個(ge)方(fang)向的橫(heng)向振動和(he)軸(zhou)向振動。從(cong)振(zhen)動(dong)性(xing)質(zhi)分，有(you)共振(zhen)和(he)強迫振動。從(cong)引起振動(dong)的(de)因(yin)素(su)分，有(you)旋渦脫落誘發的振(zhen)動等，以(yi)及(ji)這些不同性(xing)質(zhi)振(zhen)動(dong)的組(zu)合。