摘要(yao):
渦街(jie)流量(liang)計
具(ju)有儀(yi)表系(xi)數與(yu)介質(zhi)無關(guan)的特(te)性,可(ke)以使(shi)用常(chang)溫水(shui)介質(zhi)🏃🏻♂️下的(de)标定(ding)公式(shi),正确(que)測量(liang)氫/氧(yang)火箭(jian)發動(dong)機試(shi)驗中(zhong)的🤩流(liu)量參(can)數。研(yan)究了(le)低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)計
的(de)關鍵(jian)技術(shu)，包括(kuo):低溫(wen)壓電(dian)陶瓷(ci)材料(liao)特性(xing)、低溫(wen)渦街(jie)信号(hao)檢測(ce)、低溫(wen)渦街(jie)信号(hao)調理(li)技術(shu)以及(ji)低溫(wen)渦街(jie)信号(hao)的DSP技(ji)術。最(zui)後推(tui)出低(di)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)樣機(ji),對樣(yang)機進(jin)行了(le)常溫(wen)水介(jie)質的(de)标定(ding)，綜合(he)精度(du)達到(dao)0.5級✌️。在(zai)某型(xing)号氫(qing)/氧火(huo)箭發(fa)動機(ji)試驗(yan)系統(tong)上💜,以(yi)分節(jie)式液(ye)面計(ji)爲标(biao)準，對(dui)低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)計樣(yang)機進(jin)行了(le)液📐氮(dan)介質(zhi)的比(bi)🈲對試(shi)驗,其(qi)偏差(cha)爲0.65%,精(jing)度優(you)于
渦(wo)輪流(liu)量計(ji)
。
引言(yan)
在目(mu)前的(de)氫/氧(yang)火箭(jian)發動(dong)機和(he)液氧(yang)/煤油(you)火箭(jian)發動(dong)💞機試(shi)💋驗系(xi)統中(zhong),低溫(wen)推進(jin)劑的(de)流量(liang)測量(liang)主要(yao)采用(yong)渦輪(lun)流量(liang)計測(ce)🐉量瞬(shun)🐉時流(liu)量,用(yong)分節(jie)式電(dian)容液(ye)面計(ji)測量(liang)穩态(tai)流量(liang)。然而(er)，渦輪(lun)流量(liang)計用(yong)水進(jin)行标(biao)定在(zai)液氫(qing)、液氧(yang)✌️下使(shi)用時(shi)誤差(cha)較大(da),分節(jie)式電(dian)容液(ye)面計(ji)⛷️無法(fa)測量(liang)瞬時(shi)流量(liang)且成(cheng)本昂(ang)貴。因(yin)此,随(sui)着航(hang)天技(ji)術的(de)發展(zhan),特🌈别(bie)是大(da)推力(li)氫氧(yang)(液氧(yang)/煤油(you))火箭(jian)發動(dong)👈機的(de)發展(zhan),必.須(xu)尋找(zhao)一種(zhong)⁉️儀表(biao)系數(shu)與介(jie)質無(wu)關、成(cheng)本低(di)、精度(du)高的(de)瞬時(shi)低溫(wen)流量(liang)測量(liang)裝置(zhi),而渦(wo)街流(liu)量計(ji)正是(shi)理想(xiang)的選(xuan)擇。
根(gen)據渦(wo)街流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理,在(zai)一定(ding)雷諾(nuo)數範(fan)圍🈲内(nei),其輸(shu)出的(de)頻率(lü)信号(hao)不受(shou)比如(ru)流體(ti)組分(fen),密度(du)、壓力(li)、溫度(du)的影(ying)響”，即(ji)儀其(qi)表系(xi)數隻(zhi)與漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)及☀️管(guan)道的(de)💞幾何(he)尺寸(cun)有關(guan)。因此(ci),隻⛷️需(xu)在一(yi)🤞種典(dian)型介(jie)質中(zhong)标定(ding)即⚽可(ke)适用(yong)于各(ge)種介(jie)質,即(ji)當用(yong)于低(di)溫測(ce)量時(shi),不進(jin)行低(di)溫介(jie)質标(biao)定♊而(er)用常(chang)溫水(shui)标定(ding)即可(ke)達🧑🏾🤝🧑🏼到(dao)一-定(ding)的精(jing)度。
目(mu)前,常(chang)溫下(xia)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)技術(shu)已相(xiang)當成(cheng)熟,形(xing)成🚶♀️了(le)系🎯列(lie)産🙇♀️品(pin),用于(yu)各種(zhong)工業(ye)領域(yu)。國内(nei)外都(dou)有相(xiang)當數(shu)量🈲的(de)公司(si)生産(chan)此類(lei)産品(pin)。但用(yong)于低(di)溫特(te)别是(shi)超🌍低(di)溫流(liu)體測(ce)量的(de)渦街(jie)💯流量(liang)計國(guo)内尚(shang)無産(chan)品和(he)文獻(xian)報導(dao),國外(wai)已開(kai)展研(yan)究并(bing)有🏃🏻♂️少(shao)量文(wen)獻報(bao)導,還(hai)沒有(you)成熟(shu)的産(chan)🏃品推(tui)向市(shi)場。
通(tong)過理(li)論分(fen)析和(he)試驗(yan)研究(jiu)表明(ming),超低(di)溫下(xia)渦街(jie)流量(liang)計的(de)難點(dian)在于(yu)信号(hao)檢測(ce)器靈(ling)敏度(du)低,信(xin)噪弱(ruo)。通過(guo)對壓(ya)電☀️材(cai)料低(di)溫特(te)性、檢(jian)測器(qi)結構(gou)優化(hua)、弱信(xin)号☂️提(ti)取等(deng)技術(shu)的研(yan)究，用(yong)于超(chao)低溫(wen)流體(ti)測量(liang)的精(jing)度🌍高(gao)渦街(jie)流量(liang)測量(liang)裝置(zhi)樣機(ji),爲運(yun)載火(huo)箭發(fa)動機(ji)地🔱面(mian)試驗(yan)低溫(wen)流量(liang)測量(liang)提供(gong)性能(neng)好、可(ke)靠性(xing)高、而(er)又價(jia)格便(bian)宜的(de)測⭕量(liang)手段(duan)。
2渦街(jie)流量(liang)計的(de)結構(gou)和工(gong)作原(yuan)理
一(yi)般的(de)渦街(jie)流量(liang)計由(you)流量(liang)計殼(ke)體、漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)、信号(hao)❗檢♊測(ce)器、信(xin)号變(bian)換器(qi)和二(er)次儀(yi)表組(zu)成,如(ru)圖1所(suo)示。
漩渦(wo)發生(sheng)體用(yong)于産(chan)生穩(wen)定的(de)漩渦(wo),一般(ban)采用(yong)三角(jiao)柱體(ti)📞,因爲(wei)三角(jiao)柱漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)是一(yi)種綜(zong)合性(xing)能比(bi)較優(you)良的(de)旋渦(wo)發生(sheng)體,均(jun)勻而(er)嚴密(mi)的分(fen)離機(ji)制,減(jian)小了(le)流.體(ti)的其(qi)他擾(rao)動和(he)噪聲(sheng),使渦(wo)街信(xin)号既(ji)強烈(lie)又穩(wen)定,便(bian)于檢(jian)測,合(he)理設(she)計尺(chi)寸可(ke)以得(de)到高(gao)穩定(ding)🌈性的(de)渦街(jie)和量(liang)程比(bi)。正是(shi)🍉這個(ge)原因(yin),三角(jiao)柱漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)是目(mu)前應(ying)用最(zui)廣泛(fan)的漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)形狀(zhuang)。信号(hao)檢測(ce)器放(fang)在漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)後檢(jian)測漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)尾流(liu)✊中的(de)漩渦(wo)頻率(lü)。
渦街(jie)流量(liang)計流(liu)量信(xin)号檢(jian)測流(liu)程是(shi):流量(liang)-→漩渦(wo)頻率(lü)→檢測(ce)杆交(jiao)🐉變㊙️升(sheng)力-+壓(ya)電陶(tao)瓷應(ying)力→交(jiao)變電(dian)荷→電(dian)荷放(fang)大器(qi)→濾波(bo)整形(xing)→TTL方波(bo)→測頻(pin)→顯示(shi)輸出(chu)流量(liang)。
3壓電(dian)陶瓷(ci)的材(cai)料研(yan)究
壓(ya)電陶(tao)瓷作(zuo)爲渦(wo)街流(liu)量計(ji)的關(guan)鍵敏(min)感元(yuan)件,其(qi)低🧑🏾🤝🧑🏼溫(wen)特性(xing)直接(jie)⛱️影響(xiang)到流(liu)量計(ji)的性(xing)能，因(yin)此必(bi)須研(yan)究和(he)選擇(ze)低溫(wen)下工(gong)作穩(wen)定、靈(ling)敏度(du)高的(de)材料(liao)。
随着(zhe)溫度(du)的降(jiang)低,壓(ya)電材(cai)料的(de)性能(neng)特性(xing)會發(fa)生一(yi)定的(de)🔞變化(hua),并且(qie)由于(yu)制造(zao)方法(fa)和化(hua)學成(cheng)分的(de)不同(tong),不同(tong)材料(liao)性能(neng)随溫(wen)👅度的(de)改變(bian)也是(shi)不同(tong)的。根(gen)據國(guo)外資(zi)料,對(dui)PZT-4、PZT-5.和PZT-8這(zhe)幾種(zhong)材✨料(liao)的低(di)♋溫性(xing)能☁️參(can)數進(jin)行分(fen)析,初(chu)步确(que)定它(ta)們在(zai)低溫(wen)下能(neng)夠使(shi)用,但(dan)實際(ji)情況(kuang)下信(xin)号的(de)強度(du)和測(ce)量的(de)靈敏(min)度還(hai)需通(tong)過具(ju)體的(de)❄️試驗(yan)來确(que)定。
壓(ya)電陶(tao)瓷國(guo)内沒(mei)有低(di)溫産(chan)品,而(er)且相(xiang)關科(ke)研機(ji)構也(ye)🏃🏻♂️沒有(you)進行(hang)🔴過相(xiang)關研(yan)究,國(guo)外有(you)低溫(wen)産品(pin)和相(xiang)關實(shi)驗⛹🏻♀️資(zi)料,但(dan)價😘格(ge)昂貴(gui),一❌般(ban)購買(mai)不到(dao)。與中(zhong)科院(yuan)矽☀️酸(suan)鹽研(yan)🥵究所(suo)合作(zuo),專門(men)❓配制(zhi)了4種(zhong)材料(liao)的壓(ya)電陶(tao)瓷,分(fen)别是(shi):
以上(shang)4種壓(ya)電陶(tao)瓷經(jing)過幾(ji)十次(ci)的“常(chang)溫→液(ye)氮→常(chang)溫"的(de)反複(fu)升降(jiang)溫試(shi)驗後(hou)發現(xian)壓電(dian)陶瓷(ci)的機(ji)械強(qiang)度沒(mei)有太(tai)大的(de)✍️變化(hua),PZN的電(dian)容值(zhi)變化(hua)較大(da)(6:1),NB8的電(dian)容值(zhi)變化(hua)較大(da)(3:1),其它(ta)2種電(dian)容變(bian)化👅較(jiao)小(2:1)。說(shuo)明以(yi)上壓(ya)電陶(tao)瓷均(jun)可在(zai)低溫(wen)🧑🏽🤝🧑🏻下使(shi)用,機(ji)械強(qiang)度和(he)♉絕緣(yuan)性能(neng)沒有(you)明顯(xian)變化(hua),但通(tong)過🌐表(biao)面電(dian)容的(de)💔比較(jiao)認爲(wei)LBNN和♍PMS-5兩(liang)種較(jiao)好比(bi)較穩(wen)定。
4低(di)溫渦(wo)街信(xin)号檢(jian)測技(ji)術研(yan)究
4.1低(di)溫信(xin)号檢(jian)測器(qi)的傳(chuan)熱學(xue)設計(ji)[4)
低溫(wen)信号(hao)檢測(ce)器設(she)計時(shi),一方(fang)面需(xu)要考(kao)慮其(qi)對低(di)溫介(jie)質的(de)♊引人(ren)熱量(liang),不能(neng)引起(qi)低溫(wen)介質(zhi)的顯(xian)著氣(qi)化,從(cong)🛀🏻而影(ying)響漩(xuan)渦的(de)穩定(ding)性和(he)低溫(wen)推進(jin)劑的(de)品質(zhi),造成(cheng)無法(fa)測量(liang)或無(wu)法試(shi)驗;另(ling)一方(fang)面應(ying)盡量(liang)使壓(ya)電陶(tao)瓷處(chu)的溫(wen)度不(bu)🐕要太(tai)低,從(cong)🌈而降(jiang)低對(dui)壓電(dian)陶瓷(ci)🔞性能(neng)的要(yao)求和(he)提高(gao)壓電(dian)陶瓷(ci)的使(shi)用壽(shou)命。
在(zai)設計(ji)時通(tong)過絕(jue)熱套(tao)筒減(jian)少熱(re)量引(yin)人,通(tong)過加(jia)長杆(gan)使壓(ya)電陶(tao)瓷處(chu)溫度(du)達到(dao)較爲(wei)理想(xiang)。通過(guo)傳熱(re)計算(suan)進行(hang)了參(can)數優(you)化。傳(chuan)熱計(ji)算程(cheng)序用(yong)MicrosoftVisualC++6.0編寫(xie),用于(yu)估算(suan)檢測(ce)❄️杆溫(wen)度分(fen)布。
基(ji)本方(fang)程采(cai)用二(er)維穩(wen)态熱(re)傳導(dao)方程(cheng):
數值(zhi)計算(suan)中采(cai)用控(kong)制容(rong)積離(li)散化(hua)方程(cheng),即認(ren)爲在(zai)一個(ge)小的(de)控制(zhi)容積(ji)中,進(jin)出的(de)淨熱(re)流量(liang)爲零(ling)。
該問(wen)題屬(shu)于第(di)三類(lei)邊界(jie)條件(jian),即給(gei)定周(zhou)圍流(liu)體的(de)溫度(du)和換(huan)熱系(xi)數。以(yi)流體(ti)和檢(jian)測杆(gan)接觸(chu)面爲(wei)例，如(ru)圖2,圖(tu)中:P、S、E、N爲(wei)網格(ge)💋點;T爲(wei)流體(ti)溫度(du),K。
控制(zhi)體的(de)方向(xiang)符合(he)常規(gui)X軸、Y軸(zhou)和Z軸(zhou)定義(yi)。
式中(zhong):k爲控(kong)制容(rong)積間(jian)界面(mian)上的(de)當量(liang)導熱(re)系數(shu),W/(m.K);△y爲一(yi)💞個單(dan)元控(kong)制體(ti)Y方向(xiang)的長(zhang)度，mm;△x爲(wei)一個(ge)單元(yuan)控制(zhi)體X方(fang)向的(de)長度(du),mm;1爲Z方(fang)向的(de)長度(du),mm。
qn、、qs則有(you)差别(bie),因爲(wei)其控(kong)制容(rong)積側(ce)面積(ji)變爲(wei)内點(dian)的一(yi)半,即(ji):
式(6)就(jiu)是檢(jian)測杆(gan)溫度(du)分布(bu)計算(suan)中第(di)三類(lei)邊界(jie)條件(jian)在流(liu)體與(yu)💔杆端(duan)面接(jie)觸處(chu)的具(ju)體應(ying)用。
程(cheng)序中(zhong)的數(shu)值計(ji)算方(fang)法主(zhu)要采(cai)用了(le)ADI方法(fa)。ADI方法(fa)就是(shi)👈分别(bie)沿軸(zhou)向和(he)徑向(xiang)這兩(liang)個方(fang)向對(dui)整個(ge)溫度(du)場做(zuo)--次TDMA求(qiu)解。TDMA即(ji)三對(dui)角矩(ju)陣算(suan)法,在(zai)溫度(du)場計(ji)算中(zhong)用它(ta)來求(qiu)解一(yi)維♌離(li)散化(hua)方程(cheng)。以上(shang)方法(fa)均是(shi)數值(zhi)傳🛀熱(re)學中(zhong)常🥰用(yong)的方(fang)法,在(zai)此不(bu)再詳(xiang)細說(shuo)明。
設(she)計了(le)6個檢(jian)測器(qi)的結(jie)構方(fang)案,對(dui)其進(jin)行傳(chuan)熱學(xue)計🆚算(suan),結🌈果(guo)見表(biao)2。
從計(ji)算結(jie)果看(kan),方案(an)1.2.5可以(yi)爲壓(ya)電陶(tao)瓷提(ti)供較(jiao)好的(de)工作(zuo)溫度(du)。
此外(wai),在不(bu)采用(yong)絕熱(re)措施(shi)的情(qing)況下(xia)估算(suan)的由(you)檢測(ce)杆進(jin)入流(liu)體中(zhong)的熱(re)流量(liang)小于(yu)100W,而液(ye)氫的(de)燕發(fa)潛熱(re)約爲(wei)453.6J/g,顯然(ran),由檢(jian)測杆(gan)♻️進人(ren)🚶♀️流體(ti)中的(de)熱量(liang)相對(dui)于液(ye)氫的(de)蒸發(fa)潛熱(re)非常(chang)小，故(gu)這部(bu)分熱(re)量不(bu)會造(zao)成液(ye)氫的(de)大量(liang)氣化(hua),因此(ci)⭐不需(xu)要采(cai)用抽(chou)真空(kong)絕熱(re),可以(yi)考慮(lü)設計(ji)絕熱(re)套簡(jian),以便(bian)更有(you)效的(de)阻止(zhi)熱量(liang)的流(liu)人。
4.2低(di)溫信(xin)号檢(jian)測器(qi)的動(dong)力學(xue)設計(ji)
4.2.1漩渦(wo)發生(sheng)體産(chan)生的(de)漩渦(wo)升力(li)估算(suan)
據流(liu)體力(li)學知(zhi)識:環(huan)流引(yin)起的(de)流體(ti)對柱(zhu)體的(de)升力(li)L可表(biao)示爲(wei):
式中(zhong)ρ爲流(liu)體密(mi)度,kg/m³;u爲(wei)來流(liu)的速(su)度,m/s;r爲(wei)環量(liang),m2/s;d爲漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)迎面(mian)寬度(du),mm;D爲表(biao)體通(tong)徑,mm;b爲(wei)漩渦(wo)發生(sheng)體縱(zong)向尺(chi)寸,mm;CD爲(wei)阻力(li)⭐系數(shu),CL爲橫(heng)向升(sheng)力力(li)系數(shu)。
ITOH&S.OHKI通過(guo)大量(liang)實驗(yan),給出(chu)了3種(zhong)截面(mian)形狀(zhuang)(梯形(xing)、矩形(xing)、三角(jiao)形🐆)的(de)發生(sheng)體✨在(zai)不同(tong)Re數下(xia)的CL值(zhi),梯形(xing)(就是(shi)習慣(guan)上所(suo)稱的(de)三角(jiao)柱)的(de)CL≈
2.3,基本(ben)爲一(yi)常量(liang)。
4.2.2信号(hao)檢測(ce)器的(de)受力(li)計算(suan)
本研(yan)究的(de)檢測(ce)杆置(zhi)于漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)下遊(you)一定(ding)距離(li)👄的位(wei)置,其(qi)上端(duan)與流(liu)動管(guan)道固(gu)定,下(xia)端爲(wei)自由(you)端,因(yin)而在(zai)受力(li)分析(xi)時,可(ke)以将(jiang)系統(tong)簡化(hua)爲懸(xuan)臂梁(liang)。如圖(tu)3所示(shi)。
通過(guo)柱體(ti)的受(shou)力分(fen)析,可(ke)知柱(zhu)體上(shang)受到(dao)的大(da)多數(shu)都不(bu)是集(ji)中力(li)而是(shi)局部(bu)分布(bu)力，下(xia)面就(jiu)以這(zhe)種情(qing)🏃🏻況來(lai)💞進行(hang)受力(li)分析(xi)。
取x1、x2爲(wei)坐标(biao),凡使(shi)微段(duan)沿順(shun)時針(zhen)方向(xiang)轉動(dong)的剪(jian)力爲(wei)正,使(shi)🌏微段(duan)彎❄️曲(qu)成凹(ao)形的(de)彎矩(ju)爲正(zheng),由材(cai)料力(li)學的(de)知識(shi)可以(yi)算得(de)(如圖(tu)3b所示(shi)✨):
式中(zhong):d31爲極(ji)化方(fang)向與(yu)外力(li)方向(xiang)垂直(zhi)的壓(ya)電系(xi)數。
對(dui)6個設(she)計方(fang)案的(de)計算(suan)結果(guo)見表(biao)3。
從計(ji)算結(jie)果可(ke)以看(kan)出,方(fang)案2.3.5的(de)電荷(he)輸出(chu)最大(da),結合(he)傳💃🏻熱(re)學🥰計(ji)算結(jie)果,方(fang)案2.5較(jiao)爲理(li)想。從(cong)結構(gou)上看(kan),方案(an)5比方(fang)案2結(jie)構簡(jian)單,易(yi)于加(jia)工,因(yin)此最(zui)終确(que)定了(le)檢測(ce)🔴器的(de)設計(ji)方案(an)爲方(fang)案5。方(fang)案5特(te)點爲(wei):(1)采用(yong)加長(zhang)杆設(she)計;(2)不(bu)采用(yong)抽真(zhen)空絕(jue)熱,但(dan)增加(jia)絕熱(re)套簡(jian);(3)對加(jia)長檢(jian)🛀🏻測杆(gan)結構(gou)的固(gu)有頻(pin)率進(jin)行估(gu)算,在(zai)500Hz以上(shang)，而渦(wo)街頻(pin)率則(ze)在40-100Hz這(zhe)個範(fan)圍内(nei),判斷(duan)不會(hui)🏃♂️發生(sheng)共振(zhen)問題(ti)。
5低溫(wen)渦街(jie)信号(hao)調理(li)技術(shu)研究(jiu)
由于(yu)壓電(dian)式信(xin)号檢(jian)測器(qi)輸出(chu)電荷(he)量的(de)大小(xiao)與流(liu)體流(liu)速🐪近(jin)似成(cheng)平方(fang)關系(xi)變化(hua)，因此(ci)輸出(chu)電壓(ya)信号(hao)的幅(fu)值變(bian)🐕化範(fan)圍也(ye)🧡相當(dang)大[5],此(ci)外,要(yao)求研(yan)制的(de)渦街(jie)💰流量(liang)計既(ji)能用(yong)于試(shi)車🌍的(de)極低(di)🤟溫環(huan)境,又(you)能用(yong)于水(shui)介質(zhi)标定(ding)的常(chang)溫環(huan)境,而(er)渦街(jie)流量(liang)計檢(jian)測探(tan)頭在(zai)🤩極低(di)溫下(xia)的輸(shu)出信(xin)号是(shi)💃🏻常溫(wen)下的(de)1/5以下(xia),因此(ci)要求(qiu)變送(song)器的(de)信😘号(hao)調理(li)部分(fen)要能(neng)✨夠适(shi)應大(da)範圍(wei)的信(xin)号幅(fu)值變(bian)化。在(zai)火箭(jian)發動(dong)機試(shi)車現(xian)場存(cun)在各(ge)種強(qiang)振動(dong)的幹(gan)擾,信(xin)噪比(bi)極差(cha),因此(ci)還要(yao)求其(qi)濾波(bo)電路(lu)是銳(rui)截止(zhi)的窄(zhai)帶濾(lü)波器(qi)。目前(qian)✉️流行(hang)的渦(wo)街流(liu)🍓量計(ji)信号(hao)調理(li)電路(lu)無法(fa)滿足(zu)要求(qiu)。研制(zhi)過程(cheng)中,通(tong)過各(ge)種.方(fang)案的(de)比較(jiao)和多(duo)次實(shi)❌驗改(gai)進,最(zui)後确(que)定在(zai)研制(zhi)的信(xin)号調(diao)理電(dian)路中(zhong)應用(yong)ALC自動(dong)🏃🏻電平(ping)控制(zhi)技術(shu)和高(gao)性能(neng)窄帶(dai)濾波(bo)技術(shu)。與YDN80-1樣(yang)品連(lian)接,在(zai)流☎️量(liang)塔進(jin)行現(xian)場調(diao)試,比(bi)較試(shi)驗證(zheng)明,其(qi)性能(neng)優于(yu)⭐國内(nei)其他(ta)型号(hao)渦街(jie)流量(liang)計。輸(shu)人信(xin)号在(zai)8m-2000mV有效(xiao)值範(fan)圍内(nei)的情(qing)況下(xia),該電(dian)路輸(shu)出信(xin)号基(ji)本穩(wen)定在(zai)6000mV上。
6低(di)溫渦(wo)街信(xin)号的(de)DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shu)
6.1低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)計噪(zao)聲分(fen)析
管(guan)道内(nei)介質(zhi)流動(dong)紊流(liu)、脈動(dong)、流場(chang)的不(bu)穩定(ding)及不(bu)均勻(yun)🙇♀️性㊙️對(dui)旋渦(wo)發生(sheng)體施(shi)加不(bu)規則(ze)的附(fu)加作(zuo)用力(li)。附.加(jia)作用(yong)力引(yin)起的(de)噪聲(sheng)的幅(fu)度.頻(pin)率均(jun)不規(gui)則，帶(dai)有很(hen)大的(de)😘随機(ji)性。其(qi)結果(guo)🛀相當(dang)于👨❤️👨在(zai)渦街(jie)㊙️頻率(lü)信号(hao)中💘疊(die)加了(le)一個(ge)随機(ji)噪聲(sheng)。當噪(zao)聲✨頻(pin)率落(luo)人工(gong)作頻(pin)段💛時(shi),其影(ying)響難(nan)以消(xiao)除。
有(you)些動(dong)力源(yuan)，如水(shui)泵、風(feng)機、壓(ya)縮機(ji)等工(gong)作時(shi)都會(hui)引起(qi)管道(dao)振動(dong)。若管(guan)道安(an)裝不(bu)當,流(liu)體流(liu)動時(shi)管道(dao)有時(shi)會📧自(zi)振。這(zhe)些振(zhen)動傳(chuan)遞到(dao)傳感(gan)器上(shang)可造(zao)成漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)上産(chan)生附(fu)加的(de)慣性(xing)應力(li),形成(cheng)振動(dong)噪聲(sheng)。這些(xie)振動(dong)往往(wang)持續(xu)時間(jian)長或(huo)強度(du)大,對(dui)渦🈲街(jie)流量(liang)計的(de)影響(xiang)大。
壓(ya)電晶(jing)體輸(shu)出的(de)電荷(he)信号(hao)很弱(ruo).容易(yi)引人(ren)電磁(ci)串模(mo)或共(gong)模幹(gan)擾。
除(chu)上述(shu)外界(jie)産生(sheng)的噪(zao)聲外(wai),渦街(jie)本身(shen)還會(hui)産生(sheng)低頻(pin)⛱️擺動(dong)和信(xin)号衰(shuai)減,如(ru)圖5所(suo)示。
綜(zong)上所(suo)述,渦(wo)街傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)可由(you)下式(shi)表示(shi):
y(t)=S(t)+n(t)
其中(zhong)S(t)渦街(jie)頻率(lü)信号(hao),n(t)爲随(sui)機幹(gan)擾信(xin)号,由(you)于其(qi)成分(fen)複雜(za),頻譜(pu)寬廣(guang)，處理(li)是可(ke)假定(ding)爲零(ling)均值(zhi)的高(gao)斯分(fen)布。圖(tu)6是微(wei)💁機采(cai)集到(dao)的經(jing)模拟(ni)濾波(bo)電路(lu)處理(li)後的(de)渦街(jie)傳感(gan)器信(xin)号。由(you)圖看(kan)出,用(yong)普通(tong)的模(mo)拟濾(lü)波和(he)♈整形(xing)電路(lu)很難(nan)提取(qu)準确(que)可靠(kao)穩定(ding)的流(liu)量信(xin)号。
6.2DSP算(suan)法研(yan)究
深(shen)人分(fen)析發(fa)現渦(wo)街傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)中的(de)噪聲(sheng)信号(hao)n(1)爲随(sui)機🐅幹(gan)擾信(xin)号,處(chu)理時(shi)高于(yu)流量(liang)計量(liang)程範(fan)圍♌的(de)頻率(lü)成分(fen),可以(yi)通⛷️過(guo)前置(zhi)模拟(ni)低通(tong)濾波(bo)電路(lu)加以(yi)消除(chu),效果(guo)很好(hao)。但n(t)中(zhong)😄處于(yu)量程(cheng)範圍(wei)内的(de)頻率(lü)成分(fen)不可(ke)能🈲通(tong)過模(mo)拟濾(lü)波器(qi)或常(chang)規數(shu)字濾(lü)波器(qi)(如窄(zhai)帶濾(lü)波器(qi))加以(yi)消除(chu)。
解決(jue)這個(ge)問題(ti)的途(tu)徑有(you)兩條(tiao):-是改(gai)進漩(xuan)渦發(fa)生體(ti)和信(xin)号檢(jian)測♉器(qi),也就(jiu)是改(gai)進傳(chuan)感器(qi),使其(qi)輸出(chu)信号(hao)的信(xin)噪比(bi)盡可(ke)能高(gao);二是(shi)采用(yong)數字(zi)信号(hao)處理(li)方法(fa),将渦(wo)街頻(pin)率信(xin)⛱️号從(cong)有噪(zao)聲的(de)✍️傳感(gan)器輸(shu)出信(xin)号中(zhong)提取(qu)出來(lai)。
之前(qian)的研(yan)究基(ji)本上(shang)集中(zhong)在第(di)一條(tiao)途徑(jing)上,取(qu)得了(le)一定(ding)效🔞果(guo),但這(zhe)畢竟(jing)是局(ju)部的(de),沒有(you)完全(quan)解決(jue)問題(ti),傳感(gan)器輸(shu)出信(xin)号依(yi)然不(bu)😄可避(bi)免地(di)帶有(you)大量(liang)噪聲(sheng)，在有(you)幹🌐擾(rao)的環(huan)境下(xia),渦街(jie)流量(liang)計仍(reng)然工(gong)作不(bu)穩定(ding),因此(ci)必須(xu)研究(jiu)第二(er)♍條途(tu)徑,目(mu)前數(shu)字信(xin)号的(de)處理(li)方法(fa)歸納(na)起來(lai)主要(yao)包括(kuo):小波(bo)變換(huan)、自👉适(shi)應陷(xian)波濾(lü)❄️波和(he)頻譜(pu)分🈲析(xi)方法(fa)。
小波(bo)變換(huan)可以(yi)看成(cheng)是一(yi).組帶(dai)通濾(lü)波器(qi),在低(di)頻段(duan)☁️有很(hen)⛱️高的(de)分辨(bian)率,而(er)在高(gao)頻段(duan)分辨(bian)率低(di)，其實(shi)時性(xing)和功(gong)耗也(ye)都存(cun)在一(yi)定的(de)缺陷(xian)。自适(shi)應陷(xian)波針(zhen)對不(bu)同頻(pin)率的(de)信号(hao)建立(li)不同(tong)參數(shu)🔞的模(mo)型,在(zai)非整(zheng)周期(qi)😘采樣(yang)、諧波(bo)和噪(zao)聲幹(gan)擾情(qing)況下(xia)頻率(lü)測量(liang)都能(neng)達到(dao)很好(hao)的精(jing)度，但(dan)是如(ru)果流(liu)量信(xin)号發(fa)生突(tu)變，而(er)采樣(yang)頻率(lü)沒有(you)及🐪時(shi)跟蹤(zong),就會(hui)造成(cheng)較大(da)的測(ce)量誤(wu)差。譜(pu)分析(xi)方法(fa)是近(jin)年來(lai)的研(yan)究熱(re)點之(zhi)一,經(jing)典譜(pu)分析(xi)算📞法(fa)對屬(shu)于正(zheng)态分(fen)🌈布的(de)噪聲(sheng)有很(hen)好的(de)抑制(zhi)作用(yong),而且(qie)易于(yu)編程(cheng)實現(xian),但是(shi)在非(fei)整數(shu)周期(qi)采樣(yang)時誤(wu)差比(bi)較大(da),需要(yao)更多(duo)的計(ji)算和(he)操作(zuo)來進(jin)行頻(pin)譜校(xiao)正。而(er)現代(dai)譜分(fen)析方(fang)法，也(ye)就是(shi)最大(da)熵譜(pu)分析(xi)法更(geng)适合(he)處理(li)短序(xu)列的(de)譜分(fen)析，對(dui)噪聲(sheng)的抑(yi)制能(neng)力更(geng)強,精(jing)度也(ye)更高(gao)[6]。
本研(yan)究采(cai)用了(le)現代(dai)功率(lü)譜估(gu)計中(zhong)的最(zui)大熵(shang)譜估(gu)計法(fa)㊙️提取(qu)噪聲(sheng)中的(de)渦街(jie)頻率(lü)。對設(she)計的(de)算法(fa)進行(hang)計算(suan)機仿(pang)真計(ji)算,結(jie)果如(ru)圖7所(suo)示。
由(you)計算(suan)結果(guo)可以(yi)看出(chu),當信(xin)噪比(bi)爲1:0.5時(shi)普通(tong)變送(song)器㊙️的(de)🔴輸🍓出(chu)就會(hui)産生(sheng)數據(ju)不穩(wen)，當信(xin)噪比(bi)爲1:1時(shi),其輸(shu)出✊數(shu)據已(yi)基本(ben)不‼️可(ke)用。而(er)采用(yong)研究(jiu)的DSP算(suan)法,即(ji)使在(zai)信噪(zao)比爲(wei)1:10時仍(reng)能從(cong)頻域(yu)獲取(qu)有用(yong)的渦(wo)街信(xin)号,從(cong)而獲(huo)得較(jiao)爲準(zhun)确的(de)流量(liang)數據(ju)。
7試驗(yan)驗證(zheng)及效(xiao)果
推(tui)出低(di)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)樣機(ji)DW-80,在流(liu)量塔(ta)對該(gai)樣機(ji)進行(hang)了常(chang)溫❗水(shui)介質(zhi)的标(biao)定.綜(zong)合精(jing)度達(da)到0.5級(ji)。
采用(yong)某型(xing)号氫(qing)氧火(huo)箭發(fa)動機(ji)試驗(yan)系統(tong),以分(fen)節液(ye)✉️面計(ji)測得(de)的流(liu)量爲(wei)标準(zhun),分别(bie)對低(di)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)和低(di)💋溫渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)🈲比對(dui)試驗(yan)，結果(guo)如下(xia):
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