摘要:研究了(le)獲取管(guǎn)道振(zhèn)動噪聲幹(gàn)擾特征的方法(fǎ)，介紹了(le)基于加速度傳感(gǎn)器的管道振動信号(hào)的采集.結合渦(wō)街流量信(xìn)号和(hé)管道(dào)振動(dòng)信(xìn)号的頻(pín)譜分析結(jié)果,指(zhǐ)出了管道(dào)振動信号(hào)頻率(lǜ)與渦(wō)街流量計(jì)
信号的(de)主要(yào)幹(gàn)擾分(fèn)量頻率直(zhí)接相關.研(yán)究表(biǎo)明,可(kě)通過(guò)獲取(qǔ)管道振動(dòng)加速度信号特征,來間接獲得(dé)渦街(jiē)流量信(xìn)号(hào)中主(zhǔ)要噪聲的頻率特征(zhēng).基(jī)于這一(yī)研究結(jié)論(lùn),以(yǐ)管(guǎn)道振動信号的(de)特征信(xìn)息(xī)爲參考輸(shū)人,驗證了通過(guò)自适應濾(lǜ)波對(duì)渦街流(liú)量(liàng)信号中振動噪聲的(de)濾波方法(fǎ).
現今渦街(jiē)流量(liàng)計的使用越來(lái)越廣泛(fàn)，因(yīn)其屬(shǔ)于流體振動型(xíng)流量計(jì),故(gù)對振(zhèn)動幹(gàn)擾顯得非(fēi)常敏感.振(zhèn)動幹(gàn)擾是影響渦街(jiē)測量的主要幹(gàn)擾之-“,國(guó)内外的(de)學者和公(gōng)司對(duì)渦街流(liú)量計抗(kàng)振動問(wèn)題進行(háng)了大(dà)量(liàng)的研究(jiū)21,其中以(yǐ)rosemount公(gōng)司的8800a'31和f+p公(gōng)司的(de)vt/vr型爲(wèi)代表[4].
本(běn)研(yán)究從(cóng)獲取管(guǎn)道振動(dòng)噪聲幹(gàn)擾(rǎo)特征的方(fāng)法着手,分(fèn)析得出了(le)管道(dào)振動(dòng)信号頻率(lǜ)與渦街(jiē)流量信(xìn)号的主要幹擾(rǎo)分量頻(pín)率(lǜ)直接(jiē)相關,研究了一(yī)種基于加速度(dù)傳感器(qì)的管(guǎn)道(dào)振動信号(hào)采集和對應的自适(shì)應濾(lǜ)波(bō)方法.
1機(jī)械管(guǎn)道振動對(duì)渦街流量計信(xìn)号的影響
表1是不同流(liú)體(tǐ)傳感器對(duì)過(guò)程幹擾(rǎo)的敏感(gǎn)性(xìng)影響(xiǎng)程度的統(tǒng)計[5].表(biǎo)中“++”表示高敏感(gǎn)(讀數誤(wù)差10%或更(gèng)高),"+”表示敏(mǐn)感(讀(dú)數誤差1%),表示不(bú)敏感(gǎn)(讀(dú)數(shù)誤差(chà)小于(yú)1%)
從表1中可(kě)以得知(zhī),渦街流量測(cè)量中幹擾(rǎo)影響大的成分(fèn)爲機(jī)械管道振(zhèn)動幹擾和周期性的低(dī)頻脈動(dòng)幹擾(rǎo).
讨論(lùn)了在(zài)加速(sù)度爲1g,垂直(zhí)振動頻(pín)率(lǜ)爲100hz的(de)振動(dòng)于擾對渦街流量計(jì)信号(hào)輸出(chū)的影(yǐng)響,如(rú)圖1所示在(zài)沒有(yǒu)流速的情況下,渦街傳感(gǎn)器檢(jiǎn)測到(dào)管道振動(dòng),并錯誤判斷100hz是(shì)流量信(xìn)号,因此(cǐ)錯誤地顯(xiǎn)示了(le)120m'/h的流(liú)速.
2渦街(jiē)流量信号與管(guǎn)道振動(dòng)信号特征聯系(xì)的試驗(yàn)分析(xī)
振動幹擾(rǎo)是主要的幹擾(rǎo)成分(fèn)之一.若要(yào)将各(gè)信号成分(fèn)特征一--進行分(fèn)離,目前常用及(jí)成熟(shú)的方(fāng)法就(jiù)是頻譜分(fèn)析(xī)[78].在(zài)離線(xiàn)頻譜分析(xī)中,可以依據人腦的(de)判斷(duàn)來有(yǒu)效(xiào)地區别振動(dòng)噪聲(shēng)和渦(wō)街信号的(de)頻率、能量(liàng)分布的(de)不(bú)同.然而在實際工程(chéng)應用(yòng)中(zhōng),若(ruò)噪聲(shēng)能量(liàng)大于信号(hào)能量，則在(zài)線的(de)頻譜分(fèn)析雖然(rán)可以分辨(biàn)出能(néng)量的(de)峰值,但無(wú)法有(yǒu)效區分(fèn)能量的(de)峰值(zhí)是信(xìn)号的還是幹擾(rǎo)的,因此可能會(huì)跟(gēn)蹤了錯誤的(de)振動幹擾噪(zào)聲(shēng)..
本研究對(duì)不同(tóng)流速(sù)和泵頻率(lǜ)組合(hé)下的(de)渦街(jiē)流量(liàng)信号進行(háng)了數據(jù)采集和(hé)頻譜(pǔ)分析,其中(zhōng)水泵采用(yòng)格蘭(lán)富ap12.40單級潛水泵(bèng),分别調節流速約0.209,0.403,0.611,0.797m/s.控制(zhì)水流(liú)速(sù)的大(dà)小，在(zài)每一(yī)開度(dù)下,再分别(bié)設置水泵工作(zuò)頻(pín)率(lǜ)爲25,30,35,40hz,以輸人(rén)不同的振(zhèn)動幹(gàn)擾信号,如圖2所(suǒ)示.可見(jiàn)當流速(sù)小時(shí)噪聲能量(liàng)接近(jìn)甚至(zhì)大于(yú)實際(jì)信号能量(liàng),在線的頻(pín)譜分析很難(nán)判(pàn)斷..
考慮到管道的振動是(shì)振動幹擾(rǎo)直接(jiē)的物理響(xiǎng)應,當手觸(chù)摸管道時,明顯(xiǎn)可以(yǐ)覺察到管道有規律地振顫.基于(yú)以上分(fèn)析,結(jié)合振(zhèn)動測(cè)量知(zhī)識，本研究(jiū)認爲可以(yǐ)嘗(cháng)試引人加速度傳感器來采(cǎi)集管(guǎn)道振(zhèn)動的信号(hào)[910.
試驗中(zhōng),加速度(dù)傳感器的選取(qǔ)較爲重要(yào).本研(yán)究加速度傳感(gǎn)器試驗(yàn)選(xuǎn)擇了美國adi公司的adxl202,這(zhè)是-種低成本、低功耗、功能完普(pǔ)的雙軸加速度傳感(gǎn)器(qì),其測量(liàng)範圍爲+2g.
本試驗(yàn)使用(yòng)a/d數據采(cǎi)集(jí)卡,将(jiāng)adxl202的模(mó)拟輸出信号(hào)轉換爲(wèi)數字信号(hào)送人(rén)pc機進(jìn)行處理，基(jī)于labwindows/cvi測控平台的pc機能夠方(fāng)便地(dì)實現數據采集.
試驗工作狀态(tài):分(fèn)别調節流速(sù)約爲(wèi)0,0.209,0.403,0.611,0.797m/s,控制水(shuǐ)流(liú)速的大小(xiǎo)，并在(zài)每--開度下(xià),再分(fèn)别設置水(shuǐ)泵工(gōng)作頻(pín)率(lǜ)爲25,30,35,40hz.加速(sù)度傳感器的(de)模(mó)拟輸(shū)出信(xìn)号輸(shū)人到pc機的(de)a/d采集(jí)卡,采樣頻率1000hz.對(duì)不(bú)同流速和泵(bèng)頻率組合下的(de)管道振動信号(hào)進行數據采集(jí)和頻譜分(fèn)析.圖(tú)3爲所(suǒ)有組合下(xià),采樣(yàng)得到的管(guǎn)道振(zhèn)動(dòng)加速度信号(hào)的典型時域波(bō)形圖.圖中(zhōng)橫坐标(biāo)爲采樣的點(diǎn)數,共1024點(diǎn);縱(zòng)坐标爲(wèi)相對于(yú)og标定值的(de)差值(zhí)，縱坐标基(jī)準值(zhí)0對(duì)應(yīng)了(le)0g的(de)标定(dìng)值.圖4所示(shì)爲對應的(de)管(guǎn)道振動(dòng)信号的(de)典(diǎn)型頻譜圖(tú).
爲了驗證(zhèng)所采集振動信号是否具有(yǒu)重(zhòng)複性,本研(yán)究對每種工況下組(zǔ)合的(de)管(guǎn)道振動(dòng)信(xìn)号(hào)分别進行(háng)了3次重複采樣(yàng),每次(cì)1024點,采樣頻(pín)率1000hz.表2是(shì)各次數(shù)據分(fèn)析得到的(de)頻率值.
由表2的(de)數據(jù)可以(yǐ)看出(chū),管道振動的數(shù)據頻譜分析得(dé)到的振動頻率值(zhí)重複性很高(gāo).
對表2的重(zhòng)複性(xìng)數據計算平均(jun1)值,并由(yóu)平(píng)均值畫出(chū)了(le)流(liú)速、泵頻(pín)率和管(guǎn)道振(zhèn)動頻率(lǜ)的(de)關系(xì)曲線,如圖(tú)5所示(shì).分析結果表明(míng),不論試(shì)驗裝置(zhì)工況如何,管道(dào)振動信(xìn)号的頻率和(hé)能量隻與(yǔ)泵工(gōng)作頻(pín)率相(xiàng)關,泵(bèng)頻率越大，則(zé)振(zhèn)動(dòng)信号的頻率和能(néng)量(liàng)越(yuè)大.
3對管(guǎn)道(dào)振動自适(shì)應濾波的(de)試驗
通過以上(shàng)分析(xī)可(kě)以得出(chū)結論(lùn),水泵(bèng)工作引起(qǐ)的(de)管道振(zhèn)動幹擾(rǎo)直(zhí)接耦合到了(le)渦街輸(shū)出信号中(zhōng).試驗(yàn)數據(jù)顯示(shì),在(zài)各(gè)種流動狀态下,渦街信号中叠(dié)加的(de)千擾頻率(lǜ)與管道(dào)加(jiā)速度(dù)振動頻率近乎于相等,且與試(shì)驗用的(de)水泵工(gōng)作頻率相近.
通(tōng)過加速(sù)度傳感器獲得有效的(de)管道(dào)振動頻率(lǜ)後,可(kě)以将(jiāng)之等(děng)同爲渦街(jiē)流量(liàng)信(xìn)号(hào)中主要幹(gàn)擾信号的頻率(lǜ).本研(yán)究提出以(yǐ)管道振動(dòng)信号(hào)的特(tè)征輸人爲參(cān)考信号(hào),采用(yòng)自适應小均方誤差(chà)(lms)數字(zì)濾波器方法(fǎ),來(lái)對渦(wō)街流量信(xìn)号振(zhèn)動(dòng)幹(gàn)擾進行處(chù)理11.lms濾波器(qì)輸出(chū)爲
式中，w爲(wèi)濾波(bō)器各系數組成(chéng)的向(xiàng)量,x爲(wèi)監測(cè)值組(zǔ)成的(de)向量.
lms算法(fǎ)的(de)基本思想是利(lì)用優化方法中的(de)速下(xià)降法.根(gēn)據推導,可得(dé)權系數的(de)叠代(dài)公式爲(wèi)
式中,u爲(wèi)自适應系(xì)數,取(qǔ)值大(dà)小影響到(dào)收斂(liǎn)速度(dù)、估(gū)計值的方差(chà)和算法的穩定(dìng)性.誤(wù)差e;的(de)叠代(dài)計算(suàn)公式爲
用式(2)更(gèng)新(xīn)權(quán)系數w(t+1),随着新數據不(bú)斷輸人,不(bú)斷(duàn)重(zhòng)複使用式(shì)(2)和式(shì)(3)進行叠代,使w逐(zhú)漸趨近于w。.
設采(cǎi)集(jí)獲得的渦街(jiē)流量信号(hào)爲原(yuán)始信号(hào),參考輸(shū)人爲采集獲得(dé)的管道振(zhèn)動加(jiā)速度(dù)信(xìn)号,濾波(bō)器系(xì)統如(rú)圖6所(suǒ)示.
由上述(shù)自适(shì)應濾波(bō)器的算(suàn)法,可得到(dào)系數(shù)w;的計算值爲
設(shè)定u值,通過式(shì)(4)~(6)的(de)循環叠代(dài),使w;逐(zhú)漸趨(qū)近(jìn)于w.
如前(qián)所述,u爲控制lms算(suàn)法收斂(liǎn)速度和(hé)穩定性(xìng)的(de)系數(shù),u值過大(dà)可(kě)能導(dǎo)緻發散(sàn),過小又可能(néng)使收斂速度變慢(màn).本(běn)研究(jiū)通過大(dà)量的計算,不斷修(xiū)正和(hé)比較,使(shǐ)其接近(jìn)佳值.通過(guò)試驗(yàn)計算,确定u=0.1.
圖7爲(wèi)濾波後的信(xìn)号(hào)頻域圖.從圖中可以看出，主要(yào)的管(guǎn)道振(zhèn)動幹(gàn)擾已經被消除(chú)，濾波(bō)後(hòu)的信号(hào)信噪比提(tí)高很多..
4結束語
本研究是在自有試(shì)驗裝(zhuāng)置上對一(yī)部分渦街(jiē)傳感器進行(háng)試(shì)驗的(de).盡管不同(tóng)的管(guǎn)道振(zhèn)動有其特(tè)殊(shū)性,但管道振(zhèn)動問(wèn)題也有一(yī)-定的(de)普(pǔ)遍(biàn)性.本(běn)研究通(tōng)過基于(yú)加速(sù)度(dù)傳感器(qì)的管道振(zhèn)動信(xìn)号的采集和(hé)頻譜分析,指出了(le)管道(dào)振(zhèn)動(dòng)信号頻率與(yǔ)渦街流(liú)量信号的(de)主要(yào)幹擾(rǎo)分量頻率(lǜ)直接相關(guān).并采(cǎi)用自(zì)适應濾波(bō)方法,驗證(zhèng)了對(duì)渦街流量計振(zhèn)動噪聲濾波(bō)的(de)有效性(xìng),爲(wèi)消除(chú)振動噪(zào)聲(shēng)提供(gòng)了一種有(yǒu)效的(de)途徑值得(dé)注意(yì)的是,本研究主(zhǔ)要針對解決以(yǐ)泵的幹擾爲主(zhǔ)的管道振動噪(zào)聲問題，對于解(jiě)決其他有(yǒu)一定(dìng)規律(lǜ)的管(guǎn)道振(zhèn)動噪(zào)聲也(yě)有适用性(xìng).本研究中(zhōng)加(jiā)速度傳(chuán)感器(qì)的安(ān)裝位(wèi)置至(zhì)關重要(yào),會(huì)影響振動信(xìn)号的檢(jiǎn)測以(yǐ)及對渦街(jiē)信(xìn)号濾波處理(lǐ)的結果.
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