调节阀动态稳定性试验之信号处理(lǐ)
核心提示：以上海惠高阀门制造有(yǒu)限公司开发生产的调节阀為(wèi)研究对象，通过在阀座节流断面处、阀芯头部等阀體(tǐ)内各关键部位设置测点，利用(yòng)微小(xiǎo)型高频动态压力传感器及其采集系统，进行多(duō)种工况和多(duō)个方位的试验研究，对流场动态压力信号进行采集、处理(lǐ)和分(fēn)析，探讨由于阀内气體(tǐ)流动引发的阀门工作的稳定性。
1 概述

调节阀属典型的机械或机電(diàn)类产品，但它跟手动的阀的zui大區(qū)别在于其结合了现代信息技术后可(kě)通过现场总線(xiàn)技术对其进行调节，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(néng)是通过改变通流部分(fēn)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(kě)能(néng)由于流體(tǐ)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體(tǐ)诱发的阀门不稳定有(yǒu)关，即调节阀内气體(tǐ)（液體(tǐ)）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(wén)试验利用(yòng)微小(xiǎo)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(lǐ)和分(fēn)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(fēn)动态压力测点位置

压比定义為(wèi)

ε=P1/P0

式中：P1—阀后压力，Mpa
P0—阀前压力，Mpa

相对升程定义為(wèi)

L（相对） = L/Dn

式中：L —调节阀的阀杆提升高度，mm
Dn—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zui小(xiǎo)通道是阀座的节流断面处。如果阀杆升程较小(xiǎo)，阀芯和阀座形成的环形通道面积也可(kě)能(néng)小(xiǎo)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為(wèi)*个喷管通道，在升程很(hěn)小(xiǎo)时环形通道的面积是zui小(xiǎo)通道。将阀座称為(wèi)第二个喷管通道，其节流断面处是第二个喷管通道中面积zui小(xiǎo)处。

為(wèi)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(duō)个测点。通过对各测点的测量，进行各点测量数据的处理(lǐ)和结果的关联分(fēn)析，可(kě)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(yòng)介质為(wèi)空气。為(wèi)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°。试验中气體(tǐ)流量、压力和温度均有(yǒu)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(lǐ)图

3 动态压力传感器及数据采集系统

3.1 微小(xiǎo)型动态压力传感器

為(wèi)了尽可(kě)能(néng)减小(xiǎo)接触测量对调节阀内的流畅的干扰，采用(yòng)了美國(guó)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(yòng)光刻法制成微小(xiǎo)尺寸，从而使传感器具有(yǒu)很(hěn)高的固有(yǒu)频率，低迟滞和优良的热性能(néng)和环境性能(néng)，*的静态性能(néng)和动态性能(néng)，并且牢固耐用(yòng)。试验选用(yòng)的是XCQ-062系列，传感器直径Φ=1.6mm，長(cháng)度L=12mm，工作温度范围為(wèi)-55～204℃，固有(yǒu)频率為(wèi)330～500KHz，测量精度為(wèi)满量程的0.1%。被测介质為(wèi)非导電(diàn)性、无腐蚀性的液體(tǐ)和气體(tǐ)。由于传感器微小(xiǎo)，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線(xiàn)性的，然后才能(néng)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(yòng)静态标准。经验表明，只有(yǒu)整个测压系统的响应频率足够高，采用(yòng)静态标定过的测压系统来测量动态压力，结果有(yǒu)足够的精度。本文(wén)试验采用(yòng)了测压范围為(wèi)0～0.35MPa和0～0.17MPa两种传感器，满量程输出為(wèi)100mV，这2种微小(xiǎo)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(fēn)析系统可(kě)以进行多(duō)通道并行动态采集、具有(yǒu)高速、大容量和瞬态数字化的优点，是集测量、分(fēn)析和结果输出為(wèi)一體(tǐ)的高性能(néng)综合性测量系统。它具有(yǒu)高度稳定的電(diàn)路设计和仪器结构设计，优良的硬件和软件模块化特性，可(kě)方便的应用(yòng)于瞬态采集和动态过程监测纪录等测试领域，同时可(kě)作并行多(duō)通道数据采集。各采集通道把数据分(fēn)别存入各自的缓冲器中，内部计算机通过统一的总線(xiàn)处理(lǐ)这些数据（图4）。

图4 动态测试分(fēn)析原理(lǐ)

由于各个通道都自带A/D和缓冲器，因而不会因為(wèi)通道扩展而使zui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(kě)以不考虑通道间的时差。它的基本工作方式是按采集、处理(lǐ)、再采集和再处理(lǐ)的顺序进行工作。动态分(fēn)析时，主要是利用(yòng)它较深的缓冲器储存足够的数据以供处理(lǐ)之用(yòng)。系统zui高采样率為(wèi)1.25MPa、采样精度為(wèi)12bit，能(néng)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zui后获得的输出信号可(kě)供显示与数据采集，在试验中作為(wèi)高频动态采集系统的前置放大器使用(yòng)。调节仪主要由压力传感器、传感器供電(diàn)電(diàn)源、测量仪用(yòng)放大器、限波線(xiàn)路以及整机供電(diàn)電(diàn)源5部分(fēn)组成，可(kě)同时对12路压力信号进行调理(lǐ)，不仅可(kě)以满足对于不同型号的压力传感器信号进行的调理(lǐ)，同时还可(kě)以对其他(tā)的電(diàn)压信号进行调理(lǐ)。為(wèi)减小(xiǎo)工频交流信号的干扰，其输出部分(fēn)设有(yǒu)限波線(xiàn)路，其限波频率為(wèi)50±5Hz，因此大大提高了整个调节電(diàn)路的抗干扰能(néng)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(lǐ)得到真正的有(yǒu)用(yòng)信号，zui终绘制出其特征曲線(xiàn)、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(fēn)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(néng)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(yòng)实时采集，使压力等参数的测量数据能(néng)及进得到时均值，减小(xiǎo)了测量误差。

4.2 频谱分(fēn)析

频谱分(fēn)析分(fēn)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(fēn)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(yòng)后的振动特性转换為(wèi)数字信号，对其进行频谱分(fēn)析，获得振动信号的各阶谐波频率，即可(kě)得到的各阶自振频率。由于调节阀振动形式主要表现為(wèi)阀杆—阀芯的振动，所以试验中利用(yòng)频谱分(fēn)析系统进行阀杆-阀芯振动信号的频谱分(fēn)析。

5 动态信号处理(lǐ)

调节阀内的流动具有(yǒu)典型的非定特性，动态测量能(néng)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(lǐ)分(fēn)析内容广泛，涉及的问题很(hěn)多(duō)，必须得到真实可(kě)靠的数据和结果，以便找出规律，其中频谱分(fēn)析和波形分(fēn)析就是动态数据处理(lǐ)中zui重要的和zui基本的方法。频谱分(fēn)析和波形分(fēn)析既相互独立又(yòu)密切相关，它们之间有(yǒu)明显的區(qū)别，通过傅立叶变换可(kě)以相互转换。频谱和波形分(fēn)析与随机数据处理(lǐ)方法已经成為(wèi)信号分(fēn)析中zui常用(yòng)的方法。

6 结语

将试验数据处理(lǐ)结果和数值模拟结合起来分(fēn)析研究，可(kě)以得出结论：

（1）由于研制和使用(yòng)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(xiǎo)型压阻式高频动态压力传感器等测试设备和技术，可(kě)以研究阀體(tǐ)内液體(tǐ)诱发振动机理(lǐ)。

（2）试验中，将微小(xiǎo)传感器直接插入阀座节流断面处和阀芯头部等阀體(tǐ)内的各关键部位，利用(yòng)高频动态采集系统进行多(duō)工况范围和多(duō)方位的测量。对阀内高频动态压力试验数据，采用(yòng)频谱分(fēn)析和相关分(fēn)析方法进行数据处理(lǐ)和分(fēn)析，该方法简便，实用(yòng)，可(kě)靠。

（3）试验中，调节阀的阀杆-阀芯的振动具有(yǒu)复杂的成因及形式，与阀内非定常气體(tǐ)流动的脉动有(yǒu)关。从振型分(fēn)，有(yǒu)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(fēn)，有(yǒu)共振和强迫振动。从引起振动的因素分(fēn)，有(yǒu)旋涡脱落诱发的振动等，以及这些不同性质振动的组合。