摘 要: 在动态流量的测试方法上做了新的尝试, 提出了一种新的动态流量测量方法. 以动态层流流量为研究对象, 利用管道中压力脉动包含了流量信息这一原理, 通过采集相距为L 的两点压力信号对其进行互相关处理, 得到渡越时间, 从而求得管道内的平均流量. 这一过程按一定的时间步长不断地进行, 当时间步长趋近于零时, 平均流量就逼近于瞬时流量. 用无载伺服油缸进行对比实验, 证明了这种方法的准确性和有效性, 并对相关法的测量结果进行了标定.
关键词: 动态流量; 层流; 虚拟仪器; 互相关法; 无载伺服油缸
在液压设备的状态监测和故障诊断领域, 以及在液压元件及系统的试验研究中, 流量是需要测量和控制的主要参数之一. 流量测量通常包括测量平均稳态流量和测量动态流量. 在液压系统状态监测和故障诊断中, 动态流量信号包含丰富故障特征信息; 在液压元件和系统性能测试中, 动态流量的测量, 对于评价伺服阀、比例阀等控制元件, 以及液压控制系统的动态特性都有着非常重要的意义[ 1-2] .
随着现代液压控制技术的发展, 对于系统和元件的动态特性的要求越来越高, 因而对瞬时动态流量测量技术提出了更高的要求. 在保证测试结果不失真的前提下, 一般要求用于动态测量的测试系统的响应时在液压设备的状态监测和故障诊断领域, 以及在液压元件及系统的试验研究中, 流量是需要测量和控制的主要参数之一. 流量测量通常包括测量平均稳态流量和测量动态流量. 在液压系统状态监测和故障诊断中, 动态流量信号包含丰富故障特征信息; 在液压元件和系统性能测试中, 动态流量的测量, 对于评价伺服阀、比例阀等控制元件, 以及液压控制系统的动态特性都有着非常重要的意义[ 1-2] .
随着现代液压控制技术的发展, 对于系统和元件的动态特性的要求越来越高, 因而对瞬时动态流量测量技术提出了更高的要求. 在保证测试结果不失真的前提下, 一般要求用于动态测量的测试系统的响应时态流量计系统. 此方法很好地避免了用模型推导计算带来的误差. 并通过伺服阀动态性能试验台上的动态无载伺服油缸的对比试验验证了该方法的有效性.
1 相关法测量动态流量的理论基础
1. 1 相关性
相关是代表客观事物或过程中某两种特征量之间联系的紧密性.
在静态测量中由于所测的是数值, 所以相关表达了某两种特征量数值之间的关联程度. 例如: 考察某结构载荷x 和应变y 之间的对应关系, 若具有如图1( a) 的关系, 则表示它们之间存在着严格的对应关系, 称之为精确地线性相关; 假若某两个量之间存在图1( b) 中的趋势, 这说明它们之间有大致的对应关系; 称之为中等的线性相关; 假若某两个物理量存在如图1( c) 的关系, 它们之间在数值上没有对应关系, 则称之为二者不相关.
由于在动态测试中所测的是反映客观事物变化的信号, 所以信号的相关性就是反映信号波形相互联系紧密性的一种函数.
1. 2 互相关函数
两随机信号样本x ( t) 和y ( t) 的互相关函数定义为
互相关函数具有以下性质:
① R xy ( S) 不是偶函数, 通常它不在S= 0 处取峰值. 其峰值偏离原点的位置反映了两信号相互间有多大时移时, 相关程度最高. 两信号间的互相关性如图2 所示.
② Rxy (T) 与Ryx (T) 是两个不同的函数, 且对称于纵坐标轴. ③ 均值为零的两统计独立的随机信号x ( t) 和y ( t ) , 对所有的S值都有R xy (S) = 0.
1. 3 相关系数函数
由于信号x ( t ) 和y( t) 本身的幅值大小决定相关函数计算结果的幅值, 因而在比较不同的成对随机信号相关程度时仅视其相关函数值大小是不确切的. 为了避免信号本身幅值对其相关性程度度量的影响, 需将相关函数作归一化处理, 引入一个无量纲的函数—— 相关系数函数Qxy , 其定义是
这样, Qxy ( S) 是在0 和1 之间变化的一个函数.若Qxy (t) = 1, 说明x ( t ) 与y ( t ) 完全相关; 若Qxy (t)= 0, 说明x ( t) 和y ( t ) 完全不相关. 若0 < | Qxy (t)| < 1, 则说明x ( t) 和y ( t ) 部分相关[ 6] .
1. 4 数字信号相关函数的实现
随着数字计算机的发展, 数字信号处理技术的应用越来越广泛. 要计算两个模拟信号x( t) 和y (t) 的数字互相关函数, 需先对这两个模拟信号进行数字化, 即通过对这两个模拟信号作离散化( 采样) 及量化处理,然后再作相关运算. 离散信号的相关函数表达形式为
2 测量原理
本文主要是研究流体在层流状态下的动态流量测量问题. 通常管道中动态层流流动的流体其流速都有一定脉动, 这种速度脉动可以认为是流体中不规则分布的大大小小的波动随流体一起移动所引起的, 也可以看作是流动微团的流动特征.
对相距L 的A、B 两测压点处压力波形进行相关处理, 得到相关函数的峰值所对应的时间S0 , 即得到A、B 两点的渡越时间, S0 代表某一流动微团从A 点运动到B 点所用时间, 则流体在S0 时间内的平均流速V 可通过V = L / S0 求得. 这一过程按一定的时间步长重复进行, 分段得到流体的平均流速, 当时间步长趋于0 时就可以把测量得到的分段平均流速V 认为是流体的瞬时速度. 为了实现这一测量处理过程, 对A、B 两点的压力信号, 要不断地舍弃前面的部分采样点并同时在后面增加等量的新采集点,从而保持总采样点数不变, 即相关运算数据长度不变. 这样虽然A、B 两测量处的压力信号波形不断变化, 但波形处理长度不变, 以保证A、B 两点处压力值的时时相关性. 试验获得的V 是直径平均速度记为V D , 与面平均速度V S 有一定关系, 一般可以近似按线性关系处理
3 虚拟动态流量计的组成及功能
3. 1 测量管段结构
流量计主体结构如图3 所示, 由一根水平安装的内径为10 mm 内壁光滑的金属圆管作为测量管,总长为500 mm. 在测量管上设有两个相距300 mm的取压截面, 分别沿着圆周方向对称开有四个直径为5 mm 的小孔, 与外部的取压环相连通. 取压环采用焊接结构, 中部为空腔, 测量管从空腔中穿过, 并与取压环焊接在一起. 取压环将测量管中的油液的压力信号传递出来, 并由压力传感器进行测量. 在两个取压环的上方分别加工有一个螺纹孔, 用于安装压力传感器( 数显压力表) .
取压环的作用是将测量管的压力信号传递出来, 同时由于它只通过若干小孔与测量管相连接, 空腔中的油液并不流动, 这样可以保证测量管内液体的流动状态、流速分布不受取压环和传感器的影响,并能保证沿测量管的圆周方向均匀取压[ 8] .
3. 2 硬件组成
虚拟动态流量计是在电液伺服阀综合性能测试试验台上组建的, 其硬件主要包括:
( 1) PCI-6024E 数据采集卡( NI 公司) ;
( 2) 伺服阀( FF102, 中国航空附件研究所609所) ;
( 3) 伺服放大器( MKZ801. 14, 中国航空附件研究所609 所) ;
( 4) 微型计算机( PⅣ1. 8G-CPU , 256M 内存,40G 高速硬盘) ;
( 5) 数字压力变送器( SYB-351, 秦川集团宝鸡仪表有限公司) ;
( 6) 动态油缸( 北京机械自动化研究所研制) ;
3. 3 软件功能
该动态流量计的测试软件是在虚拟仪器开发软件平台LabVIEW 下开发的. 以该软件为中心, 利用计算机强大的计算、显示和接口能力, 在屏幕上组建自己的仪器、仪表, 体现了/ 软件就是仪器0的新理念. 虚拟流量计的测试程序主要包括: 给伺服阀发正弦信号的激励模块、压力信号采集模块、利用互相关函数计算瞬时流量模块、伺服油缸对比标定模块、数据保存和测量结果显示输出模块等部分. 其中计算瞬时流量Q 时, 要引入一个标定系数K , K 需要由相关计算的结果和用伺服油缸对比试验得到的结果进行计算求得. 虚拟流量计核心程序框图如图4 所示.
3. 4 对比试验及标定
式( 6) 中, 系数K 需要通过标定试验得到, 动态流量的幅值标定需要专用标定系统. 目前动态流量标定还是计量部门的一个难题, 因此本虚拟动态流量计是通过电液伺服阀试验台上的动态油缸的对比试验来进行较粗略的标定. 图5 为对比标定试验系统原理简图. 在对比试验中, 通过给伺服阀加正弦激励信号, 使对称动态油缸作往复运动来实现动态流量的模拟. 所用的对称动态油缸具有较小的摩擦阻力和较高的频率响应. 活塞的速度可通过与其相连的速度传感器检测, 从而测得流体的速度信号波形[ 9 ] . 速度传感器为永磁动圈式结构, 通过动圈导线运动切割磁力线来产生电动势, 该电动势与活塞运动速度成正比.
4 试验及结果分析
4. 1 对比试验
本试验在16~ 21 ℃ 之间进行, 采用矿物基液压油, 粘度等级为N32. 系统压力为5 MPa, 用频率为10Hz 的正弦信号激励电液伺服阀, 对比试验结果如图6~ 9 所示, 其中, 图6 为所测得A、B 两点的压力信号, 图7 为用相关法计算出的流量信号, 图8 为用无载液压缸测出的流量信号, 图9 为相关系数曲线.
系统压力调定为8 MPa 时, 用频率为40 Hz 的正弦信号激励电液伺服阀, 对比测试结果如图10~13 所示. 其中图10 为所测得A、B 两点的压力信号, 图11 为用相关法计算出的流量信号, 图12 为用无载液压缸测出的流量信号, 图13 为相关系数曲线.
从试验结果中可以看出, 相关法测量计算所得的波形、频率与用伺服缸标定的波形和频率都很相近, 流量幅值粗略标定系数K 为0. 3 左右.
4. 2 两个影响因素
( 1) 油液粘度的影响
液压油粘度受温度的影响较大, 温度升高粘度变小, 在同等压力条件下流体流动的速度就会变大,相关函数的渡越时间就会减小. 因此, 计算流量值会随温度变化有相应变化, 图14 为流速变化对互相关函数的影响. 值得庆幸的是, 在液压系统状态监测以及液压元件动态性能测试领域, 人们往往关心的是动态流量的频率信息, 可以适当地放宽对动态流量幅值测量精度的要求.
2) 测压点间距的影响
改变两压力传感器间距离L 会对相关法测量结果产生一定的影响. 图15 给出了传感器间距离L变化对互相关函数的影响, 可见随着传感器间距离的增大, 互相关函数曲线变的矮胖, 会导致渡越时间计算误差偏大. 因此, 在相关测量中, 两个传感器的距离应尽量小, 但又受到传感器的结构和安装方式的限制. 实际应用时, 要兼顾以上两个因素, 选取合理的取压传感器距离.
5 结 论
本文首次提出了一种基于相关法的动态流量测量方法并研制成了虚拟动态流量计. 目前关于流量动态变化的机理和相应状态下流场的分布描述还不清楚, 且很多物理量比如温度的变化、粘度的变化、流体的压缩性等对流量的影响都不允许忽略, 因此精确的动态流量软测量模型还难以建立. 而相关法很好地避免了用模型推导计算带来的误差. 由于该方法属非接触测量, 避免了传统流量计由于引入插入测量件或孔板的小孔出流对被测流量的影响, 因而不会造成压力损失, 无疑有较高测量精度.
在相同工况下用无载液压液压缸对虚拟流量计进行了对比试验和粗略标定, 二者有相同的流量脉动波形和频率, 验证了该方法的有效性, 并得到粗略的流量幅值标定系数K . 目前动态流量精确的标定还是一个工程难题.
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