摘要:研究了獲取管道振動(dòng)噪聲干擾特征的方法，介紹了基于加速度傳感器的管道振動(dòng)信號(hào)的采集.結(jié)合渦街流量信號(hào)和管道振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析結(jié)果,指出了管道振動(dòng)信號(hào)頻率與渦街流量計(jì)信號(hào)的主要干擾分量頻率直接相關(guān).研究表明,可通過獲取管道振動(dòng)加速度信號(hào)特征,來(lái)間接獲得渦街流量信號(hào)中主要噪聲的頻率特征.基于這一研究結(jié)論,以管道振動(dòng)信號(hào)的特征信息為參考輸人,驗(yàn)證了通過自適應(yīng)濾波對(duì)渦街流量信號(hào)中振動(dòng)噪聲的濾波方法.
現(xiàn)今渦街流量計(jì)的使用越來(lái)越廣泛，因其屬于流體振動(dòng)型流量計(jì),故對(duì)振動(dòng)干擾顯得非常敏感.振動(dòng)干擾是影響渦街測(cè)量的主要干擾之-“,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和公司對(duì)渦街流量計(jì)抗振動(dòng)問題進(jìn)行了大量的研究21,其中以Rosemount公司的8800A'31和F+P公司的VT/VR型為代表[4].
本研究從獲取管道振動(dòng)噪聲干擾特征的方法著手,分析得出了管道振動(dòng)信號(hào)頻率與渦街流量信號(hào)的主要干擾分量頻率直接相關(guān),研究了一種基于加速度傳感器的管道振動(dòng)信號(hào)采集和對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)濾波方法.
1機(jī)械管道振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)信號(hào)的影響
表1是不同流體傳感器對(duì)過程干擾的敏感性影響程度的統(tǒng)計(jì)[5].表中“++”表示高敏感(讀數(shù)誤差10%或更高),"+”表示敏感(讀數(shù)誤差1%),表示不敏感(讀數(shù)誤差小于1%)
從表1中可以得知,渦街流量測(cè)量中干擾影響大的成分為機(jī)械管道振動(dòng)干擾和周期性的低頻脈動(dòng)干擾.
討論了在加速度為1g,垂直振動(dòng)頻率為100Hz的振動(dòng)于擾對(duì)渦街流量計(jì)信號(hào)輸出的影響,如圖1所示在沒有流速的情況下,渦街傳感器檢測(cè)到管道振動(dòng),并錯(cuò)誤判斷100Hz是流量信號(hào),因此錯(cuò)誤地顯示了120m'/h的流速.
2渦街流量信號(hào)與管道振動(dòng)信號(hào)特征聯(lián)系的試驗(yàn)分析
振動(dòng)干擾是主要的干擾成分之一.若要將各信號(hào)成分特征一--進(jìn)行分離,目前常用及成熟的方法就是頻譜分析[78].在離線頻譜分析中,可以依據(jù)人腦的判斷來(lái)有效地區(qū)別振動(dòng)噪聲和渦街信號(hào)的頻率、能量分布的不同.然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,若噪聲能量大于信號(hào)能量，則在線的頻譜分析雖然可以分辨出能量的峰值,但無(wú)法有效區(qū)分能量的峰值是信號(hào)的還是干擾的,因此可能會(huì)跟蹤了錯(cuò)誤的振動(dòng)干擾噪聲..
本研究對(duì)不同流速和泵頻率組合下的渦街流量信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和頻譜分析,其中水泵采用格蘭富AP12.40單級(jí)潛水泵,分別調(diào)節(jié)流速約0.209,0.403,0.611,0.797m/s.控制水流速的大小，在每一開度下,再分別設(shè)置水泵工作頻率為25,30,35,40Hz,以輸人不同的振動(dòng)干擾信號(hào),如圖2所示.可見當(dāng)流速小時(shí)噪聲能量接近甚至大于實(shí)際信號(hào)能量,在線的頻譜分析很難判斷..
考慮到管道的振動(dòng)是振動(dòng)干擾直接的物理響應(yīng),當(dāng)手觸摸管道時(shí),明顯可以覺察到管道有規(guī)律地振顫.基于以上分析,結(jié)合振動(dòng)測(cè)量知識(shí)，本研究認(rèn)為可以嘗試引人加速度傳感器來(lái)采集管道振動(dòng)的信號(hào)[910.
試驗(yàn)中,加速度傳感器的選取較為重要.本研究加速度傳感器試驗(yàn)選擇了美國(guó)ADI公司的ADXL202,這是-種低成本、低功耗、功能完普的雙軸加速度傳感器,其測(cè)量范圍為+2g.
本試驗(yàn)使用A/D數(shù)據(jù)采集卡,將ADXL202的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送人PC機(jī)進(jìn)行處理，基于Labwindows/cvi測(cè)控平臺(tái)的PC機(jī)能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集.
試驗(yàn)工作狀態(tài):分別調(diào)節(jié)流速約為0,0.209,0.403,0.611,0.797m/s,控制水流速的大小，并在每--開度下,再分別設(shè)置水泵工作頻率為25,30,35,40Hz.加速度傳感器的模擬輸出信號(hào)輸人到PC機(jī)的A/D采集卡,采樣頻率1000Hz.對(duì)不同流速和泵頻率組合下的管道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和頻譜分析.圖3為所有組合下,采樣得到的管道振動(dòng)加速度信號(hào)的典型時(shí)域波形圖.圖中橫坐標(biāo)為采樣的點(diǎn)數(shù),共1024點(diǎn);縱坐標(biāo)為相對(duì)于Og標(biāo)定值的差值，縱坐標(biāo)基準(zhǔn)值0對(duì)應(yīng)了0g的標(biāo)定值.圖4所示為對(duì)應(yīng)的管道振動(dòng)信號(hào)的典型頻譜圖.
為了驗(yàn)證所采集振動(dòng)信號(hào)是否具有重復(fù)性,本研究對(duì)每種工況下組合的管道振動(dòng)信號(hào)分別進(jìn)行了3次重復(fù)采樣,每次1024點(diǎn),采樣頻率1000Hz.表2是各次數(shù)據(jù)分析得到的頻率值.
由表2的數(shù)據(jù)可以看出,管道振動(dòng)的數(shù)據(jù)頻譜分析得到的振動(dòng)頻率值重復(fù)性很高.
對(duì)表2的重復(fù)性數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,并由平均值畫出了流速、泵頻率和管道振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線,如圖5所示.分析結(jié)果表明,不論試驗(yàn)裝置工況如何,管道振動(dòng)信號(hào)的頻率和能量只與泵工作頻率相關(guān),泵頻率越大，則振動(dòng)信號(hào)的頻率和能量越大.
3對(duì)管道振動(dòng)自適應(yīng)濾波的試驗(yàn)
通過以上分析可以得出結(jié)論,水泵工作引起的管道振動(dòng)干擾直接耦合到了渦街輸出信號(hào)中.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在各種流動(dòng)狀態(tài)下,渦街信號(hào)中迭加的千擾頻率與管道加速度振動(dòng)頻率近乎于相等,且與試驗(yàn)用的水泵工作頻率相近.
通過加速度傳感器獲得有效的管道振動(dòng)頻率后,可以將之等同為渦街流量信號(hào)中主要干擾信號(hào)的頻率.本研究提出以管道振動(dòng)信號(hào)的特征輸人為參考信號(hào),采用自適應(yīng)小均方誤差(LMS)數(shù)字濾波器方法,來(lái)對(duì)渦街流量信號(hào)振動(dòng)干擾進(jìn)行處理11.LMS濾波器輸出為
式中，W為濾波器各系數(shù)組成的向量,X為監(jiān)測(cè)值組成的向量.
LMS算法的基本思想是利用優(yōu)化方法中的速下降法.根據(jù)推導(dǎo),可得權(quán)系數(shù)的迭代公式為
式中,u為自適應(yīng)系數(shù),取值大小影響到收斂速度、估計(jì)值的方差和算法的穩(wěn)定性.誤差e;的迭代計(jì)算公式為
用式(2)更新權(quán)系數(shù)W(t+1),隨著新數(shù)據(jù)不斷輸人,不斷重復(fù)使用式(2)和式(3)進(jìn)行迭代,使W逐漸趨近于W。.
設(shè)采集獲得的渦街流量信號(hào)為原始信號(hào),參考輸人為采集獲得的管道振動(dòng)加速度信號(hào),濾波器系統(tǒng)如圖6所示.
由上述自適應(yīng)濾波器的算法,可得到系數(shù)W;的計(jì)算值為
設(shè)定u值,通過式(4)~(6)的循環(huán)迭代,使W;逐漸趨近于W.
如前所述,u為控制LMS算法收斂速度和穩(wěn)定性的系數(shù),u值過大可能導(dǎo)致發(fā)散,過小又可能使收斂速度變慢.本研究通過大量的計(jì)算,不斷修正和比較,使其接近佳值.通過試驗(yàn)計(jì)算,確定u=0.1.
圖7為濾波后的信號(hào)頻域圖.從圖中可以看出，主要的管道振動(dòng)干擾已經(jīng)被消除，濾波后的信號(hào)信噪比提高很多..
4結(jié)束語(yǔ)
本研究是在自有試驗(yàn)裝置上對(duì)一部分渦街傳感器進(jìn)行試驗(yàn)的.盡管不同的管道振動(dòng)有其特殊性,但管道振動(dòng)問題也有一-定的普遍性.本研究通過基于加速度傳感器的管道振動(dòng)信號(hào)的采集和頻譜分析,指出了管道振動(dòng)信號(hào)頻率與渦街流量信號(hào)的主要干擾分量頻率直接相關(guān).并采用自適應(yīng)濾波方法,驗(yàn)證了對(duì)渦街流量計(jì)振動(dòng)噪聲濾波的有效性,為消除振動(dòng)噪聲提供了一種有效的途徑值得注意的是,本研究主要針對(duì)解決以泵的干擾為主的管道振動(dòng)噪聲問題，對(duì)于解決其他有一定規(guī)律的管道振動(dòng)噪聲也有適用性.本研究中加速度傳感器的安裝位置至關(guān)重要,會(huì)影響振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)以及對(duì)渦街信號(hào)濾波處理的結(jié)果.
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