脉动测试方法（精选7篇）
脉动测试方法 篇1
我国具有丰富的自然资源, 土地资源、水资源、森林资源和煤矿资源等。通过自然资源的利用, 能够促进社会经济项目的开发, 提高人们现代化的生活环境。其中水资源的使用, 不仅能够灌溉田地, 提高农业的经济建设, 通过在水利工程汇总水轮机的应用, 可以将水的势能转化为机械能, 促进了水轮机带动电机的运转, 通过转子的转动提供了电能。水力发电工程实现了自然资源的完美使用, 同时也促进了现代化经济建设。
1 水轮机概述以及其模型研究意义分析
1.1 水轮机原理及相似性建立。水轮机的工作原理是利用水的势能转换成机械能, 再将机械能转化成电能得以应用的。因此在水轮机实际的工作中水文信息十分必要, 通过流量和流速的确定, 能够分析出水轮机的工作状态, 提高水轮机的实际工作水平。在研究水轮机模型压力脉动测试中, 需要水轮机相似性的建立, 通过相似水轮机之间的测试与数据分析, 分析出在实际的复杂水流环境中水轮机的特性, 保证了测量数据的真实可靠性, 同时也确定了压力脉动的影响, 保证了水轮机的稳定性应用。
1.2 利用水轮机模型进行测试实验的实际意义。在水利工程中, 工程项目较大, 应用的水轮机具有较大的功率, 并在多组的水轮机工作状态中进行工程利用。若要是在真实水轮机和工作环境中进行压力脉动等性能测试, 很容易造成水轮机和机组的破坏。而实际的水轮机在研发和生产中消耗的巨大的费用, 这种不科学的测试实验只能是造成国家资源的浪费。这就要通过水轮机模型的建立, 在相似的环境中进行科学实验的测量。根据实际水轮机的实际原理、工作性能和工作参数的设定, 用低成本建立水轮机的相似模型, 并在低水头的环境中进行实验, 而在实际的水轮机工作环境中都是高水头应用, 这就要通过水轮机和水流性质的模拟来创造出相似的环
境, 进而实现了水轮机的实验测试。
2 水轮机模型压力脉动测试
2.1 什么是压力脉动测试。压力脉动是指在机械正常工作环境中, 局部位置受到了不均匀压力的施加, 往往这些压力的施加时间不长, 压力较大, 施加的位置具有集中性。在水利工程中水轮机的压力脉冲现象比较常见, 这主要取决与水流环境的不稳定性, 在不均匀的水流冲击中, 水轮机的局部位置很容易发生大压力的施加, 造成了水轮机工作的不稳定性质。为了延长水轮机的使用寿命, 提高水轮机的稳定性能, 需要对水轮机进行模型压力脉动测试, 确定压力脉动的数据相关性, 并通过技术的改进, 提高水轮机机组的工作性能, 降低噪音和震荡的发生。
2.2 压力脉动测试的几种方法。传统的压力脉动测试主要有磁带记录仪记录法、图形记录法、数字记录法、计算机信息采集分析法等。在这些方法中比较常用的是磁带记录仪记录法和计算机信息采集分析法。其中在传统的应用测试中, 计算机自动化还没有普及, 在使用过程中还有手动性人为干扰较大的特点, 没有做到客观性真实数据的记录。因此使用磁带记录仪的记录方法使用比较广泛, 但是磁带记录仪却具有测量速度慢的特点, 计量的数据不够精确, 需要多次测量取平均值。在近几年的科技变化中, 要求必须高效率和高准确度的施工作业。随着计算机信息化水平的提高, 在自动化的测量中就可以记录出瞬时的水流速度、冲击力等, 提高了压力脉动测试的时效性和准确性。
3 水轮机模型压力脉动测试的方法研究
3.1 测量设备。在计算机数据采集分析法中, 应用的主要设备有压力传感器、信号放大器、示波器、计算机处理系统等。在水轮机模拟压力脉动分析中, 数据的采集是重中之重, 因此我们可以选择带屏蔽属性的传输电缆和精度高、稳定性好的压力传感器, 并且对压力传感器和放大器的位置进行计算和优选。
3.2 测点位置。水轮机压力脉动的测量位置直接关系到所测得的压力脉动的幅值和频率的准确性, 具体的说, 就是所选测点是否能反映该工况时压力脉动的最大值及脉动特性的全貌。因为对一个水轮机而言, 最大压力脉动出现的位置可能随转轮运行工况的不同而不同;而对于不同的水轮机, 最大压力脉动出现的位置随着转轮比转速的不同而改变;另外, 最大压力脉动出现的位置也随着尾水管的型式、相对高度、锥管的扩散角、尾水管支墩的位置等的不同而变化。不仅如此, 压力脉动还随着蜗壳中固定导叶及活动导叶的个数、形状、转轮叶片数等因素的不同而变化。
3.3 数据采集。数据采集前首先要明确采样频率和时间。如果采样频率过低, 采集的波形可能不完整并会发生畸变;如较长时间使用很高的采样频率会导致没有足够的内存或硬盘, 存储数据慢。关于采样时间问题, 虽然说采样时间越长所得数据越多分析结果越准确, 但鉴于采样设备的硬盘大小和考虑到分析工作的工作量问题, 应将采样时间控制在一个合适范围内, 采用采样时间间隔 Δt乘以采样数目N等于采样时间t的计算方法来确定采样时间的长短, 数据采集完成后要对信号做适当处理, 例如做傅里叶变换。
3.4 数据分析。压力脉动幅值取值的方法和准确性直接影响对水轮机水力性能的评价。通常对于压力脉动幅值有以下几种分析方法。
3.4.1 将N个采样数据{x1, x2, x3, …, x N}, 依据下面的公式计算, 即可得到压力脉动幅值的有效值 (Xrms) :
3.4.2 在有效值的基础上乘以, 作为压力脉动幅值的单向振幅值 (Xrms) 。
3.4.3 在有效值的基础上乘以2, 作为压力脉动幅值的双向振幅值 (2Xrms) 。
3.4.4 压力脉动幅值的峰峰值 (Pto P) 采用波形最大值与最小值的差值 (置信度为97%) 。
3.4.5 同时计算压力脉动幅值的峰峰值与有效值 (Pto Pand Xrms) 。
3.4.6 同时计算压力脉动幅值的峰峰值和单向振幅值 (Pto Pand Xrms) 。
3.4.7 同时计算压力脉动幅值的峰峰值和双向振幅值 (Pto Pand2Xrms) 。
结束语
在水利工程的实际应用中, 水轮机在不断的测试和研发中做出了适应性的改变, 这不仅推动了水利工程的发展, 同时也提高了水轮机的稳定性能, 实现了经济和技术的协调建设。在水轮机的压力脉动的测试中需要借助模型在相似性理论环境中进行数据的测量, 并在计算机的支持下完成了自动化的测试, 提高了测量结果的客观准确性, 为进一步研发更新型的水轮机奠定了基础。
摘要：随着人们生活需求的不断提高, 需要更多的能源物质的供应, 但是在自然能源有限的情况下, 就要寻求新的能量转换形式。在水利工程发电的应用中, 水轮机的应用产生了巨大的作用, 推动了自然能源在社会中的发展应用, 在未来更大型的、更大功率的水轮机将会继续推动工业的进步。水轮机在水域环境中发生压力动脉情况十分常见, 但是却影响了水轮机的稳定性, 从多个角度分析了影响水轮机的压力脉动, 并阐述了具体的测试方法。
关键词：水轮机模型,压力脉动测试,测试及方法
参考文献
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脉动测试方法 篇2
1 脉动试验
1.1 试验目的
隧道作为一幢地下建筑,无时无刻不在振动中,这种微弱的振动称为脉动。脉动信号中含有丰富的振动信息,结构各阶自振信息会经常地、反复地、较明显地出现在脉动信号中。通过环境脉动法(环境随机激振)这种结构动力现场测试的方法,直接以地铁隧道为检测对象,利用环境随机振动对隧道不规则的微弱干扰引起结构脉动响应,利用工程振动反演理论,通过线性模态参数(如振型、模态频率等)的提取,来测定隧道的动力特性(包括固有频率、各阶振型和阻尼比等)。
1.2 现场试验设备连线及原理
试验隧道为上海市地铁某路段,长704 m。本次试验从站台到站台取720 m进行。试验中由计算机、放大器、采集卡等组成操作系统,其中INV306采集卡一端与便携式计算机相连,另一端使用18通道中的11个通道,分别与两个放大器相连。操作系统放置在1号站台端部,从操作系统的放大器引出导线,导线按编号分别连接各个速度传感器,即放大器1通道～10通道连接1号～10号速度传感器,放大器11通道连接f1号速度传感器。具体位置为:f1,1号速度传感器固定在1号站台隧道内地面中间,2号～10号速度传感器每只间距80 m,长度误差1/百米～3/百米。脉动试验连线图见图1。
脉动试验分两次进行,一次连接测铅垂方向振动的速度传感器,一次连接测水平方向振动的速度传感器,分别记录数据,本论文主要介绍水平方向的测试情况。按脉动试验连线图,将测水平方向振动的速度传感器平稳地摆放在正确位置,调整好水平,再将速度传感器与放大器连好,用INV306采集卡采集数据,由便携式计算机读入内存,再以文件形式将测得的数据存入硬盘。速度传感器直接输出速度信号,经积分后可输出位移信号,此信号输入到放大器,放大器输出的则是随时间变化的电压信号,这类信号称为模拟信号。通过数模转换,即在程序的控制下以一定的时间间隔,将这种模拟量在该时刻的瞬时值转换成数字存入计算机,借助DASP2003专业版大容量数据采集处理分析平台软件,对所记录的数据进行分析,得到隧道的动力特性。
1.3 试验参数的确定及采集到的数据
进行脉动水平方向试验时,采用891-2型水平方向的速度传感器5个,采用94-B型水平方向的速度传感器6个;均调至二挡即中速挡,其频率范围在0.5 Hz～100 Hz。传感器布置在720 m长的地铁隧道地面上,具体布置见图1;采样频率为120 Hz,滤波频率为60 Hz;采用环境激扰的脉动测试方法,在无施工,无人员走动,无一切外界干扰的条件下,数据采集了30 min。图2给出了脉动试验采集到的水平方向时程曲线。
2 水平方向脉动试验结果
对采集到的脉动水平方向试验数据,采用DASP2003专业版大容量数据自动采集和信号处理系统进行了采选数据和滤波,用不同方法对每个点进行了信号分析,包括自谱分析和FFT/FT细化频谱分析,得到各测点的自振频率和相应阻尼。限于篇幅,选择了部分点的自谱分析时域波形图,如图3所示。FFT/FT细化频谱分析的时域波形图如图4所示。
计算得到各测点的自振频率和相应阻尼,见表1。
3 结语
由以上试验及计算可知,对每一测点,分别采用半功率带法和FFT细化方法得到了自振频率,可以看出位于车站内的f1和1点f1=0.488 33 Hz,f2=2.929 981 Hz;位于隧道内的2点,3点,4点,5点,6点的前2阶自振频率分别为0.488 33 Hz或2.832 315 Hz;同样位于隧道内的7点,8点,9点,10点的自振频率为2.832 315 Hz,由于传感器精度原因未测到0.5 Hz以下的自振频率。
由以上数据可以看出,隧道的自振频率应为0.488 33 Hz和2.832 315 Hz。位于车站内的测点频率略高于位于隧道内的测点频率,符合车站处刚度高于隧道刚度的实际情况。
由文献[7]计算可知,上海地铁一号线上运营的列车激扰频率在0.7 Hz～2.1 Hz之间,与软土—隧道系统的自振频率接近,是软土中地铁隧道产生过量沉降不容忽视的诱因。
摘要：针对软土—隧道体系这样复杂的三维结构,以上海市某地铁路段为工程背景,介绍了脉动试验的现场试验情况及结果,表明:位于车站内的测点频率略高于位于隧道内的测点频率,符合实际情况。
关键词：软土—隧道体系,脉动试验,试验参数,自振频率
参考文献
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脉动测试方法 篇3
脉动燃烧是一种不同于常规燃烧的周期性燃烧方式。与传统的燃烧方式相比较, 具有燃烧效率高、燃烧强度大、热效率高、NOx及CO污染物排放量小等优点。脉动燃烧器是产生脉动燃烧的装置, 它结构简单、体积小、运动部件少, 具有自吸、自燃及正压排气等特点[1]。
脉动燃烧在农业及农产品加工方面的研究以及应用越来越广泛。国外已经成功地将脉动燃烧器应用于果树农药的喷洒上面;南非学者J.L.Muller曾经对玉米进行过脉动燃烧干燥的试验研究;20世纪80年代美国的Sonodyne工业公司用他们所研制的Pulse-dri脉动燃烧干燥系统成功地干燥了食品、农产品等;以色列的Tanburell等人曾经应用脉动燃烧干燥装置对蔬菜和水果进行干燥;美国Hosokawa Bepex公司生产的Unison脉动燃烧干燥机成功地应用于动物饲料添加剂的干燥[2,3,4]。
脉动燃烧器有3种基本类型:Schmidt型 (又称1/4波长型) 、Helmholtz型和Rijke型。其中, Helmholtz型脉动燃烧器在农产品加工领域应用最广泛。本文所设计的即为80kW 的Helmholtz型的脉动燃烧器以及其性能测试系统, 所设计燃烧器可用于干燥系统的供热装置。
1 Helmholtz型脉动燃烧器的结构设计
Helmholtz型脉动燃烧器由空气阀、燃烧室、燃气供气系统、尾管等组成。脉动燃烧装置的结构示意图, 如图1所示。
1.液化气罐 2.压力控制阀 3.燃气流量计 4.电磁阀5.燃气去耦室 6.燃气阀 7.控制系统 8.数据采集系统9.火花塞 10.空气阀 11.吹扫风机 12.压力变送器13.温度传感器 14.燃烧室 15.尾管 16.温度传感器
1.1 燃烧室及尾管的设计
燃烧室是脉动燃烧器的主要部件, 燃烧室的体积越小其容积热强度越大, 一般根据脉动燃烧所能达到的容积热强度, 再考虑燃烧稳定性范围的影响来确定燃烧室的体积。中小功率供热装置的燃烧容积热强度一般可取 (1～2) ×104kW/m3。参照笔者实验室以前所设计脉动燃烧器尺寸, 体积定为6 327cm3, 由此得出其容积热强度为1.26×104 kW/m3, 采用D159×6规格的无缝钢管制作。空气阀与燃气喷嘴之间成90°夹角, 电火花塞则与它们分别成135°夹角安装。为了使燃气与空气能在进入燃烧室前充分预混, 许多脉动燃烧器都设计有混合室, 但实验发现大部分带有预混结构的燃烧室内的燃烧都发生在混合室与燃烧室的连接处, 并没有如预想的发生在混合室, 燃烧室只起到了谐振腔的作用。这可能是因为燃气与空气的混合过程比预想要快得多, 混合与燃烧在瞬间完成, 混合室充当了部分燃烧室的作用。基于上述原因, 本设计取消了混合室。
尾管是脉动燃烧后的高温产物排出的通道, 是脉动燃烧器的主要换热构件。尾管的长度及截面积的大小对脉动燃烧的热效率、运行频率甚至是稳定性都有着重要的影响。尾管加长能够增加换热面积, 提高换热效率, 但同时也会使排气阻力增大, 增高燃烧室内平衡压力, 使脉动燃烧器的运行频率逐渐降低, 运行稳定性下降。通过实验发现, 当尾管的长度超过一临界值时燃烧器脉动频率会从基波型振荡频率跃迁到二次谐波振荡频率, 脉动频率再次升高。为了观察尾管长度对燃烧参数的影响, 本设计的尾管采用分段组合式, 各段尾管之间采用法兰连接。这样就可以通过调整尾管的长度来改变脉动燃烧器的一些操作性能。文献[5]推荐尾管直径Dt=0.36D。D为燃烧室直径为159mm, 尾管直径Dt确定为57mm。
在忽略加热对频率的影响时, 可以利用下面的公式来估计脉动燃烧的频率, 即
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式中 C—当地音速 (m/s) ;
A—尾管截面积 (m2) ;
L—尾管长度 (m) ;
V—燃烧室容积 (m3) 。
1.2 燃气系统的设计
燃气系统包括燃气进气阀、燃气进气管、燃气去耦室、燃气瓶等。80kW的脉动燃烧器, 其额定燃烧热负荷为288MJ/h。实验室采用30kg液化石油气瓶供气, 采用下式来计算燃气管内的额定燃气流速, 即
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式中 Vg—管内燃气流速 (m/s) ;
Q—脉动燃烧器热负荷 (kW) ;
Hl—燃气热值 (kJ/m3) ;
Dn—供气管径 (mm) 。
供气管设计选用ϕ14×2胶管, 液化石油气热值大概为1×105kJ/m3, 计算得Vg=7.08m/s, 满足燃气经济流速条件。
燃气去耦室具有稳定燃气气流, 降低噪音的作用。当声压透射系数最小时, 能有效阻隔噪音。声压透射系数按下式计算, 即
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其中, S21, S12是进出口面积与去耦室横截面积的比值。若要Tp最小, 则应使kL= (2n-1) π/2, 即L= (2n-1) λ/4 (n=1, 2, 3, …) , 得到最小透射系数为
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由上式可知当去耦室长度为1/4声波波长的奇数倍时声波的透射系数最小, 此时其降噪效果最好。一般燃气去耦室直径为供气管路直径的5倍左右, 此次燃气去耦室设计成为ϕ108×L170mm, 其体积为V=1 556.56cm3。
燃气阀是用来调节燃气流量, 阻止燃烧后的混合物回流至燃气管的部件。本次设计采用的是单向阀, 通过改变燃气阀片的移动距离来调节燃气的流量。
1.3 空气进气系统设计分析
空气进气系统包括:风机、空气去耦室、进气管及空气阀。风机有两个作用:一是提供脉动燃烧点火时所需要的空气;二是在点火前及熄火后对燃烧室进行吹扫, 以吹散余气保证安全。对风机的功率并无严格要求, 本设计选用功率为60W, 风量为90m3/h的离心式电动吹风机。
空气去耦室的两个作用:一是减少外界气流扰动对脉动燃烧的影响;二是降低脉动燃烧产生的噪音, 降噪是其主要作用。
进气管是连接空气阀与燃烧室或混合室之间的管道, 其长短对脉动燃烧器能否稳定燃烧有着重要的影响。文献[6]提到一个正常脉动工作的燃烧器, 当L增长到385mm时竟然不能起振。当进一步增长到600mm时又恢复脉动工作状态, 但此时空气阀的吸气流量不足, 燃烧显出不完全性。通过实验证实, 进气管长度在一定范围内时, 脉动燃烧是不能进行的, 当进气管长度小于或大于该长度时脉动燃烧又可进行。因此, 合理把握进气管的长度是很重要的, 本设计采用D80×4的管子。
Helmholtz型脉动燃烧器的空气阀一般采用单向膜片阀, 它是脉动燃烧器中非常重要的一个部件。空气阀设计的合理与否直接影响到脉动燃烧器的燃烧性能, 甚至是能否运行。好的脉动燃烧空气阀应具备以下条件:一是良好的单向性, 能够快速地开启闭合, 从而保证燃烧所需空气的进入以及减少回流气体量。二是具有高的运行频率。只有空气阀的运行频率与脉动燃烧的震荡频率相同, 才能保证脉动燃烧的正常进行。如果空气阀的运行频率偏低, 则会造成脉动燃烧熄火等不稳定的现象。三是阀体必须加工简单、便于维修、使用寿命长。空气膜片阀结构示意图, 如图2所示。
1.阀座盘 2.阀片 3.止动盘 4.阀体
空气阀由阀体、阀座盘、阀片以及止动盘组成。其工作原理为:进气时膜片被推向止动盘, 空气通过阀座盘上的圆形孔进入阀片与阀座盘之间的空间, 再经由膜片上的腰形孔及阀片与阀体之间的环形通道进入进气管;当燃烧室内的压力超过外界空气压力时, 膜片被推向阀盘座, 此时覆盖阀座盘上的圆形孔阻止气体回流。
空气阀各部分的尺寸确定后就不能再随意改变, 如果想改变空气进气量, 只能通过调节膜片与阀座盘之间的距离 (即改变膜片的移动距离) 来改变。下面将讨论空气阀设计过程中应注意的原则, 以使后期的调整到达理想的效果。
设A1为空气进气管横截面面积;A2为空气膜片阀阀座盘上所有圆孔的面积总和;A3为空气阀止动盘上腰形孔总周长与阀板周长之和乘以阀开启时阀座盘与阀片之间净间隙S;A4为止动盘上腰形孔总面积与止动盘和阀体内壁形成的环形通道面积之和。
空气阀的调节过程是通过改变阀片移动间隙S的大小即改变A3完成的。这样在设计过程中, 对于任何一个选定的空气阀间隙S, 都必须保证在4个流通面积A1, A2, A3, A4中A3为最小。这是因为由给定的S值得到的面积A3就是空气阀所能达到的最大允许流通面积。假设A3>A1 (或A2, A4中任一个) , 那么当调节空气阀间隙增大空气流通面积时, 可能会发生还没有达到所设计的A3时, 空气阀的流通面积就已经受到A1的限制而无法继续调大, 因此在设计过程中将A3设计为最小断面, 才能使空气阀具有尽可能大的调节范围, 并在调节过程中达到最大设计流通面积。
增大空气阀的最大允许流通面积A3时, A1, A2, A4都必须同步增大。A1的同步增大不难做到, 只要空气管径足够大即可满足;相反, A2的增大有许多限制。首先阀座盘上的圆孔和止动盘上的圆孔位置大小都相同, 由于止动盘的大小受到阀体内壁的限制不可能无限制地增大, 这样就必须在有限的止动盘上合理地配置圆孔的位置, 确定圆孔的个数与直径, 从而获得A2的最优值。因为这些参数不仅决定A2的大小, 而且直接影响A4的大小。当A2增大时, 因阀体内径保持不变, A4就会相应地减少。与此同时, 这些参数还影响到A3的大小。因这些参数的变化必定引起腰形孔的周长及阀板周长的变化, 这样它们又反过来限制着A3的变化。为了减少气流通过空气阀的整体阻力系数, 应使止动盘上腰形孔的总面积大于阀座盘内圈圆孔总面积。总之, 合理地配置止动盘上圆孔的位置, 确定孔的个数和直径, 以获得A3的最大值是空气阀的设计关键。由A3的定义可知, 要增大A3需要增大S或是增大止动盘上腰形孔的周长或止动盘的外围周长。若S不发生变化, 则需要增大制动盘的直径, 相应的阀片直径也要增大, 其质量也相应增加, 阀片对脉动燃烧频率的响应时间就会延长, 影响运行工况直至无法正常运行。如果采用增大间隙S的方法来增大A3, 则阀片的运行距离增大, 同样会影响脉动燃烧器的运行稳定性。因此, 需要综合考虑各方面的影响, 才能设计出工作可靠的空气阀。阀片材料应具备密度小、平整、抗挠性好、热变性小等特点, 才能保证其运行稳定性及使用寿命。本设计采用胶木板作为阀片材料, 运行情况良好。
2 脉动燃烧参数测试系统的设计
为了研究脉动燃烧器的工作性能以及传热特性, 需要对其运行过程中的一些参数进行测量。脉动燃烧过程中的温度、压力等物理量经过传感器采集再经由变送器转换后变成了模拟电量, 而计算机只能处理数字数据, 因此还需要A/D采集卡将模拟电量转换为数字数据, 最后利用计算机编制的数据采集程序对燃烧装置中返回的数据进行显示与处理。本设计总共有9个参数测量点, 分别为:燃烧室内压力、燃烧室温度、尾气温度、室温以及5个干燥物料 (利用脉动燃烧尾气进行物料干燥时使用) 的测量点。其参数采集、测试系统的设计过程主要包含两个方面:硬件配置选型与计算机测试系统软件的设计与实现。
2.1 硬件配置选型
2.1.1 压力变送器的选型
在脉动燃烧过程中, 压力范围不超过 20kPa, 压力的动态变化频率为30～300Hz之间, 为了能够达到绘出实时波形的要求, 压力变送器的动态频率最少需达到600Hz, 这是压力变送器选型的基本依据。
经综合比较考虑, 压力测量点处选择进口集成全桥硅片刻蚀而成的JYBK (D) 型扩散硅压力变送器进行测量, 其特点如下:
1) 精度高, 精度≤±0.5%FS, 允许过载300%。
2) 稳定性好, 采用进口扩散硅芯片, 能长期稳定工作。
3) 变送器带温度补偿, 在70℃时不影响精度。
4) 动态响应性好, 响应频率为1 000Hz。
5) 全不锈钢结构耐腐蚀, 可靠性及耐冲击性能都比较好。
6) 变送器的测压范围是±20kPa, 输出信号为4～20mA。
压力测量点位于脉动燃烧器的燃烧室内, 在燃烧过程中, 燃烧室温度高达1 000～1 200℃, 目前所有的压力传感 (变送) 器都无法在如此严苛的环境下工作, 因此需要设计一个特殊的结构来解决压力变送器的工作温度问题, 并兼顾变送器的测量高精度和快速性。本实验装置采用的是如图3所示的半无限管式安装结构, 这种结构完全解决了上述变送器工作温度的问题。
1.半无限管 2.压力感器 3.三通接头 4.测压管 5.散热板
在图3中, 与高温的燃烧室壁直接连接的是一段长400mm, ϕ6×2的金属导管, 在导管远离壁室的一段装一只特制的三通接头, 三通接头的一端接了一根长10m, ϕ4mm的软管称为半无限管。半无限管的另一端封死, 变送器装在三通接头的中间接口上, 取齐平安装办法。这样一方面变送器远离热源, 避免过热损坏和由于热引起的误差。另一方面, 在这种结构下, 这根管内只有行波存在, 不会产生驻波场, 没有谐振效应, 因此使测量感头具有平坦的频率响应特性。压力脉动波从燃烧室传到变送器, 途中会有压力损失, 所以在压力变送器标定时把整个半无限管感头进行实体标定, 以消除压力波衰减造成的误差。变送器的输出信号通常要经过放大器放大, 并经滤波器滤掉高频干扰, AD变换器, 由计算机进行处理。与此同时, 由电子示波器进行实时监控。
2.1.2 温度传感器的选型
系统布置了8个温度测量点, 对于温度测量只需每隔2s返回一次测量值, 最后绘出测量点温度随时间变化的折线图即可。在现有脉动燃烧的研究中, 有研究人员提出假说, 认为温度同压力一样也会进行周期性的变化, 但目前无法像压力测量对象那样绘出实时波形并进行频谱分析, 这主要是受温度传感器的硬件特性所限制。
8个温度测量点中有5个是用来测量被干燥物料的温度, 物料温度一般小于500℃;尾气温度一般位于500～700℃;燃烧室温度高达1 000～1 200℃;室温一般不超过40℃, 从上面分析可得, 所测量的温度值除燃烧室测量点以外都属于中低温范围。本设计中燃烧室的温度测量采用了S型热电偶铂铑10-铂热电偶, 其测温范围为0～1 600℃;其他7个温度测量点均采用K型热电偶。
2.1.3 AD采集卡的选型
本系统所选择的AD转换工具为北京双诺测控公司所生产的AC6111中速数据采集卡。AC6111采集卡的AD转换部分为12位400kHz的 A/D转换器, 多通道采集速度可以达到最大采样速度。也就是说1s内最多可采集400 000个数据, 平均分配到16个通道后每个通道每秒最多采集25 000个数据。对于一般脉动燃烧器的运行频率而言, 每个周期采入的数据量对于显示数据与波形绘图已经绰绰有余。
2.2 测试软件编写
测试系统的设计实际上就是一个基于LabVIEW8.2平台实现的集示波器、数据采集与存储功能于一体的虚拟仪器。LabVIEW (Laboratory Virtual instrument Engineering) 是一种图形化的编程语言, 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受, 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[7]。一般的控制程序都包括了前面板部分与后面板程序框图部分。
所设计测试系统可以通过自动保存计时器来设定压力值自动保存的间隔时间, 每次将以Excel的形式保存500个数据, 每个数据之间的时间间隔为100μm, 当数值设定为0时, 将不会保存。由于温度数据的采集速度较慢, 而保存要求要高于压力数据, 因此本系统所检测到的温度数据保存均采用自动保存模式, 即一旦开始采样, 所有的温度数据及其采入时间都会自动在后台写入Excel表格中保存起来, 直至实验结束。
后面板程序的编写主要包括3部分:调用AD采集卡接口库函数的实现、实时采集部分代码编写及数据存储部分的代码编写。
3 脉动燃烧器性能测试系统检测结果
通过实验确定所设计脉动燃烧器点火后可在燃气流量为3～5.2m3/h之间正常运行, 其运行功率范围大概为75～130kW。在固定尾管长度及燃气流量情况下, 利用上述自行研制的脉动燃烧器性能测试系统对所设计脉动燃烧器的运行参数进行了测试。被测脉动燃烧器设计参数如表1所示, 运行测试参数如表2所示。
4 结论
脉动燃烧是一种燃烧与声振相耦合的燃烧过程。因此, 燃烧器结构必须满足声振条件, 并使燃烧压力波与放热之间满足一定的相位关系才能稳定运行。脉动燃烧器的每个部件都会对其运行情况有所影响。其中, 空气膜片阀与尾管对其影响最大。合理设计空气膜片阀的流通面积, 减小空气流通阻力, 并合理设计尾管直径及长度, 是保证脉动燃烧器稳定运行的关键。由于脉动燃烧机理的复杂性, 至今仍没有可靠的设计理论, 只能结合现有理论、设计经验和实验结果进行设计。随着燃烧学、流体力学、化学反应动力学等学科的发展, 脉动燃烧的燃烧机理的研究将进一步发展, 使脉动燃烧器的设计进入有可靠理论指导的阶段。脉动燃烧测试程序必须有足够高的响应频率才能对脉动燃烧过程进行实时的监控。各种测试仪器必须能够在较高温度的环境下工作, 或者是在不影响测试准确性的情况下降低仪器的工作温度, 其中燃烧室声学压力的测量是设计的关键。程序编写方面:一是需要实时显示压力波形的形状, 且不能失真;二是需要对压力和温度值进行实时记录储存。
参考文献
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脉动测试方法 篇4
地脉动是地面的一种稳定的非重复性的随机波动, 主要由人工活动、气象、江湖、海洋、地下构造活动等诸因素引起的地球表面某地固有的微振动尽管脉动源是随机的, 地脉动信号也是随机的, 但由于波的多重反射和折射, 地脉动在传播过程中积累了反映场地土层固有特性的信息。正是这种不随时间变化的固有信息, 使地脉动信号具有了某种统计规律性。
场地卓越周期的测试是为了防止特殊的地震效应发生, 避免拟建建筑物的自震周期与场地卓越周期一致或接近, 避免在地震发生时, 地基与建筑物发生共振或者类共振, 还可以依据场地卓越周期作为工程抗震中场地土类型划分、场地类别划分的标准, 以及估算地震动峰值加速度。
2 基本原理与方法
2.1 测试仪器
《铁路工程物理勘探规程》规定:地脉动测试用检波器、放大器及记录设备均应有良好的低频响应, 其频率下限应不高于0.3Hz。本次测试仪器采用的是奔腾WZG24, 检波器采用的是中国地震局工程力学研究所产的891-2型拾震器, 该拾震器的通频带为0.5～80HZ, 水平方向的两个拾震器1档的灵敏度为0.097v.s/m和0.0947v.s/m, 垂直方向的拾震器1档的灵敏度为0.0938 v.s/m, 能满足测试要求。
2.2 测试方法
将检波器放置在密实平整地面, 若表层土壤松散应挖坑设置。水平检波器按东西、南北两个方向设置, 垂直检波器垂直水平面, 测试一般在人为干扰背景最低的时间进行。每个测点的测试3次, 每次测试的连续时间10min, 两次测试间隔时间为30min。
在人为干扰强烈的地段需重复测试, 重复测试需隔日进行。
2.3 资料整理与解释
在将脉动信号进行频谱分析前先要进行数字滤波, 因为工程场地频率范围都在1.25～10HZ范围内, 既要考虑滤掉不合理的高频部分, 也要滤掉不合理的低频部分, 故采用带通滤波, 通频带宽选取为2～10HZ。再将滤波后的原始数据进行富里叶变换, 卓越周期就根据变换后的最大振幅的频率确定。
3 勘探实例分析
东西向卓越频率为2.559HZ东西向Tm=0.391 s
南北向卓越频率为2.559HZ南北向Tm=0.391 s
竖直向卓越频率为2.558HZ竖直向T m=0.391 s
现行规范和标准中并未就场地卓越周期划分场地类别有个统一的认定。我们参照现行国标《铁路工程抗震设计规范》和经验公式Vse=55.9Tm-1.23 (相关系数r=0.86) 提出了按场地卓越周期划分铁路工程类别的标准, 见表1。
根据此表, 此地的场地类别为II类。
为了验证划分标准的准确性, 我们又在此孔做了剪切波测试, 结果如表2、3、4。
4 结论
无刷直流电机转矩脉动抑制新方法 篇5
永磁无刷直流电动机以其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大、动态性能好等特点得到广泛应用。尤其在机器人、航天航空、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域, 无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视。对于这类应用场合,转矩脉动控制的优劣成为衡量无刷直流电机性能好坏的一项重要指标,通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。抑制转矩脉动成为提高无刷直流电机伺服系统性能的关键,从而对于抑制或者消除转矩脉动的有效措施的研究,具有十分重要的意义[1]。
虽然永磁无刷直流电机由于本身的结构特点,使得电机的平均转矩可以做的比其他类型的电机高,但是转矩的平稳性不如一般电机。根据转矩脉动产生的根源不同,可以把无刷直流电机的脉动转矩分为:齿槽转矩纹波(cogging torque)、电磁转矩纹波(mutual torque)、磁阻转矩纹波(reluctance torque)[2]。由于转矩脉动的存在,限制了它在高精度场合下的应用。对这一情况,十几年里,国内外科研人员进行了大量的研究。对于两两导通的换相转矩脉动问题,文献[3]在分析了脉动产生原因的基础上,提出了保持非换相相电流微分为零的方法减少转矩脉动。但是由于母线电压的限制,计算所得的占空比很可能达到100%时,关断相电流还是下降过快,微分达不到零,针对上述缺点,Haifeng Lu[4]等人提出了关断相延迟断开,在换相期间,对三相绕组同时控制的方法,以此来减慢关断相电流的下降速率,减小转矩纹波。对于三三导通,无刷直流电机由于反电势不是正弦波,谐波含量大,所以存在较大转矩脉动。针对这种情况,文献[5]采用复指数傅立叶级数的形式来表示电磁转矩纹波,然后用带约束的最优化技术对要注入的谐波电流进行设计,一定程度上消除了转矩纹波。文献[2,6,7]提出了一种基于d-q坐标变换理论的电流波形优化设计方法,通过令d轴电流为零,就可以利用转矩方程求得q轴电流,再用反变换到ABC坐标下的理想电流为参考控制逆变桥,可以有效抑制转矩脉动。但是d-q变换矩阵中含有多个三角函数项,变换和反变换计算量比较大,将增加系统成本。
本文提出了一种基于α-β变换和Lyapunov函数的转矩脉动抑制直接功率控制方法。利用α-β坐标系下的反电势和电流,建立功率模型,通过控制转速、有功和无功为恒定值,最终使得电流和反电势同相位,且三相电流和反电势乘积之和保持恒定,实现转矩无脉动。在α-β坐标系下得到的控制量通过SVM调制技术和逆变桥,作用于无刷直流电机,并用PSIM6.0进行仿真验证,结果表明,所提出的方法脉动抑制效果明显。
2 无刷直流电机数学模型
假设无刷直流电机三相对称,其等效电路及驱动主电路如图1所示(忽略电枢反应)。图1中R,L,M分别为定子绕组电阻、电感和两相绕组间互感,U0为电机中性点,Ud为直流母线电压,ea,eb,ec分别为对应的A,B,C三相绕组上的反电动势,ia,ib,ic分别表示流过A相、B相和C相的电流。电机三相电流满足
ia+ib+ic=0 (1)
首先定义单极性二值开关函数sx为
在不考虑死区的一般情况下,sx表示该桥臂上下开关管的驱动信号,即当sx=1时开通上管、关断下管,sx=0时关断上管、开通下管。
根据Kirchhoff定律建立三相电压方程
其中μ=L-M,将式(3)中3个方程相加,再根据式(1),得
将式(4)代入式(3),得
对式(5)进行三相静止坐标系到两相静止坐标系变换,得
其中变换矩阵为
电机运动方程为
式中:J为机械转动惯量;Ω为电机机械角速度;Te为电磁转矩;TL为负载转矩;Bv为粘滞摩擦系数。
3 无刷直流电机转矩脉动抑制新策略
从电磁转矩定义Te=Pe/Ω可以看出,只要维持电磁功率Pe和角速度Ω稳定,就能消除转矩脉动。基于上述思想,本文对无刷直流电机的电磁功率进行直接控制。对于某一给定的转速和负载转矩,可以得到相应的电磁功率P0,控制电机有功电磁功率跟踪P0,无功电磁功率为0,实现转矩恒定和保持反电势和相电流同相位。下面给出控制器设计过程。
设Ω0为给定转速,构造Lyapunov能量函数
对式(9)求导,并令其为负数,得
令k1>0,则转速能收敛到给定值。根据式(8)得到电磁转矩为
对式(11)两边同乘以Ω,得电磁功率为
由于电流的零轴分量为零,所以电机电磁有功功率为
P=eαiα+eβiβ (13)
对式(13)求导,并乘以一个系数,得
由式(6)和式(14)得
构造Lyapunov能量函数
对式(16)求导,并令其为负数,得
令k2>0,则电磁功率能收敛到P0,并最终稳定。由式(15)和式(17)得
Sαeα+Sβeβ=[-k2(P-P0)+RP-eαEα-
设电磁无功功率为Q=eαiβ-eβiα,并构造Lyapunov能量函数
令Sαeα+Sβeβ=s1,Sαeβ-Sβeα=s2,解得
由式(20)得到的控制量采用SVM调制技术,通过逆变桥作用于电机。三相电压源型逆变电路只能生成8个离散的空间矢量,因此需要用多个基本电压矢量来合成目标矢量。图2为6个基本电压空间矢量和2个零矢量。通过式(20)计算得到的矢量落在电压空间矢量图上,如果不是6个基本矢量,可以通过相邻2个矢量的线性组合和2个零矢量来实现。
4 相反电动势获取
无刷直流电机反电势的幅值与转速成正比,因此反电势可以通过转速和位置函数计算得到[3]:
三相反电势波形如图3所示。
位置信号可以通过角度传感器获取,但是无法确定电机的初始位置,角度传感器输出的0°,在电机中不一定就是0,并且很难使两者的0°保持一致。电机的霍耳位置传感器可以输出位置信号,它是6个离散的量,每隔60°(电角度)就会有1个位置信号发生跳变。如果定义霍耳传感器发生跳变时的电角度分别为-30°,30°,90°,150°,210°,270°,那么此种定义的0°与图3所示的0°对应。只要电机运行,发生了霍耳传感器跳变,那么就可以确定此时的转子电角度,通过对位置传感器信号修正,让两者的角度保持一致,再根据图3中的函数关系就可以在线把反电势计算出来。
5 仿真结果
本文使用PSIM对无刷直流电机进行了仿真,电机参数为:额定电压Ud=100 V ,电枢电阻R=11.9 Ω,电枢绕组电感L=2.07 mH,绕组间互感M=0.69 mH,线反电势系数ke=32.3V/(kr·min-1),极对数p=5,转动惯量J=0.000 2 kg·m2 ,粘滞摩擦系数Bv=0.000 02。
在设定转速都为800 r/min,负载转矩都为0.2 N·m时,对电机进行对比仿真。仿真过程中,反电势在线计算需要的位置函数f(θ)是通过转速积分实现的,为了消除积分累积误差,在霍耳位置信号跳变时修正f(θ)。采用PID控制的两两导通6状态换相控制方式时的电磁转矩曲线如图4所示;采用新控制策略方式的电磁转矩曲线如图5所示,其中k1=0.8,k2=60,k3=60,图6为A相反电势和电流波形。
比较后发现,图4a中的稳态电磁转矩脉动明显比图5a中的大得多。为了更加清晰地比较两者之间的差别,对稳态电磁转矩局部放大,可以更加清晰地看到,在图5b中,电磁转矩呈高频脉动,并且最小值和最大值限定在0.125和0.225之间;而图4b中,电磁转矩虽也呈高频脉动,最小值和最大值限定范围远超0.125和0.225,最小值和最大值接近0.05和0.3。从图6可以发现,电流相位很快就可以跟踪到反电势相位,而且呈正弦化。
6 结论
本文把交流电机矢量控制方法和直接功率控制应用到梯形波反电势无刷直流电机中,并用Lyapunov直接法设计控制器,仿真结果显示,转矩脉动得到很好抑制。相比于其他方法,本文所采用的计算方法并不复杂,而且借助于空间矢量脉宽调制技术,易于实现,具有很好的应用前景。
参考文献
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脉动测试方法 篇6
气流脉动的分析模型主要包括频域和时域两大类,不同的分析模型具有不同的分析对象和局限性。频域分析法由于其具有相对较高的计算效率,得到了更广泛的应用。但频域分析方法中的模态展开法在声源计算模型方面的研究还存在一定问题,现有的声源模型存在发散性、压力不均匀性和计算效率低等缺点,导致压缩机气流脉动频域分析的计算结果可靠性不高,因此,有必要研究新的声源模型提高压缩机气流脉动的分析精度。另一方面,气流脉动引发的噪声问题也是容积式压缩机的主要噪声源。目前,噪声污染已经与水污染、大气污染、固体废弃物污染共同被看成是世界范围内4个主要环境问题。在这种背景下,有效控制容积式压缩机的噪声问题,不仅是满足国家法律法规的基本要求,而且是企业提升产品品质、增强企业自身竞争力的有力手段。
研究压缩机工作过程气流脉动规律需要将压缩机气流脉动理论模型与实际压缩机工作过程的数学模型进行耦合。近年来,随着计算机技术的不断进步,数值分析的范围得到进一步拓展,各种气流脉动分析方法都得到了一定程度的发展。从总体上看,根据压缩机气流脉动基本处理方法的不同,主要可从分析域的角度分为频域模型和时域模型两大类。一般来讲,频域模型基于声学线性波动方程,理论和计算方法比较成熟,在压缩机气流脉动的分析中一直得到了较多使用。时域模型基于非定常流体力学方程,在近年来随着计算流体力学的飞速发展,其在压缩机气流脉动的分析方面也得到了越来越多的应用。
2 压缩机气流脉动频域分析方法及应用
从20 世纪60 年底起,许多学者便开始采用声学频域分析方法结合压缩机的数学模型分析各种类型压缩机气流脉动。在平面波动理论方面,Elson和Soedel通过线性声学波动理论建立了分析阀腔压力脉动与阀片耦合运动的数学模型,研究了排气阀的压力响应。Mac Laren等人采用同样的方法建立了气流脉动频域分析模型研究了往复式压缩机阀片的运动规律。Soedel和Baum将该方法拓展到了四缸压缩机气缸内气流脉动频率和模态的分析中。Singh和Soedel采用该方法分析了双缸高转速制冷压缩机的背压效应。孙嗣莹等建立了往复式压缩机的热力学和气流脉动频域分析方法的耦合模型,分析了气阀对往复式压缩机气流脉动的影响。随着研究的不断深入,更多的压力脉动影响因素在分析模型中得到了考虑,通过联立求解热力学方程、传热方式、气流脉动方程和阀片动力方程分析了往复式压缩机的工作循环特性。Zhou和Hamilton将模型拓展应用到了多缸往复式压缩机,考虑了实际气体的状态方程并建立了气体泄漏模型。Schewerzler和Hamilton在考虑了压缩机吸排气侧的传热作用下,通过气流脉动模型分析了多缸压缩机共用缓冲腔内的压力脉动规律。Nieter等通过建立热力学模型,压缩机动力学模型,阀片动力学模型,泄漏模型和声学模型结合试验测试分析了滚动转子压缩机内的二次压力脉动的原理,他们发现余隙容积是压缩机二次压力脉动的主要原因。近年来,有关一维平面波法的数学特性的优化研究也得到了研究人员越来越多的关注。Bilal等分析了多缸压缩机吸气腔内的压力脉动计算模型的稳定性和灵敏性。Zhou和Kim优化了往复式压缩机气流脉动分析模型,减少了压力脉动的迭代求解次数。Kim和Soedel讨论了采用频域压力脉动模型与时域工作过程数学模型分析压缩机气流脉动的收敛性。
在气流脉动声学分析方法中,Helmholtz共鸣器法作为一维平面声波分析方法的一个分支与压缩机工作过程的模拟得到了较好的结合。Kim和Soedel最早建立了基于频域Helmholtz共鸣器法的滚动转子压缩机气流脉动理论模型,这种模型将压缩机的消音器看作一个共鸣器容积,计算较为简便但其分析精度较低。Liu和Soedel将Helmholtz共鸣器法拓展到了具有多个扩张腔的压缩机消音器的气流脉动分析中,并运用该方法分析了变速滚动转子压缩机的排气气流脉动,他们发现当压缩机转速提高后,其气流脉动的高频分量和幅值都增加了。通过将Helmholtz共鸣器模型与排气阀片的运动微分方程和气缸工作模型耦合分析了滚动转子压缩机消音器内压力脉动。
前面提到的气流脉动频域分析模型都是基于一维几何形状的。模态展开法将频域气流脉动的分析从一维拓展到了多维,除了在声源模型分析进展中提到的研究外。Kim和Soedel运用该模型分析了小型制冷压缩机壳体内的压力脉动变化规律,研究了压缩机进排气位置对压缩机脉动的影响,分析了共鸣情况下壳体内压力分布规律,通过对进口采用了相位干涉的方法,减弱了压缩机壳体内的气流脉动。Lai还分析了将压缩机实际不规则形状缓冲腔简化为矩形缓冲腔的合理性。Maddali在考虑高阶效应的条件下,运用该方法对圆形腔体中的压力脉动进行了参数化研究。
3 压缩机气流脉动数值分析方法及应用
伴随计算机技术的进步,数值计算方法得到了迅猛的发展。声学有限元法以三维Helmholtz方程为理论基础,也越来越多的应用于压缩机气流脉动分析中。Chen和Huang采用声学有限元法分析了滚动转子压缩机消音器内的压力脉动,并通过优化压缩机的消音器的传递损失,降低了压缩机在1 600 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz处的压力脉动幅值。Nieter通过传递矩阵法和三维有限元法分析了滚动转子压缩机机壳排气腔的声学模态,并在此基础上研究了压缩机内部压力脉动。Park等运用有限元与模态展开相结合的方法分析了车用斜盘压缩机吸气腔内的压力脉动并对压缩机脉动源进行了定位与辨识。
总之,频域模型在计算效率和计算稳定性方面具有一定的优势,但是文献指出当系统处于共振范围内时,由于系统的阻尼呈非线性变化,会导致气流脉动计算结果的偏差较大。这主要是因为频域分析是建立在线性声学波动方程的基础上的。线性声波方程对于气流的性质进行了大量的简化,忽略了气体惯性,粘性和传热等方面的影响。这些简化在压缩机气体热力性质变化不剧烈的条件下是合理的,研究表明当压缩机气流脉动的幅值大于8% 时继续采用线性声学波动理论会导致不合理的计算结果。因此。为了更为全面地分析压缩机气流脉动,还需要考虑结合时域分析方法。
4 压缩机气流脉动时域分析方法及应用
由于压缩机气流脉动时域分析模型是建立在求解非定常流体力学方程的基础上的,保留了流体的非线性特性,因此,采用时域模型会克服频域模型对于系统阻尼非线性变化过程处理的不足。随着计算机技术的进步,采用时域法建立压缩机工作过程及气体流动过程的数值计算模型,分析各种类型压缩机气流脉动规律的研究在近年来逐渐增多。国内外许多学者开展了相应的工作。压缩机气流脉动时域分析方法最初是基于一维非定常气流基本方程的。Deschamps等建立了一维计算流体力学(Computational Fliud Dynamics,CFD)模型分析压缩机缓冲腔内压力脉动规律,与频域声学模型相比,这种一维CFD模型考虑了缓冲腔内的摩擦损失和温度变化对压力脉动的影响。Pérez-Segarra等建立了压缩机工作过程的一维变质量系统的CFD模型,通过与阀片动力学模型耦合,分析了小型封闭往复式压缩机的气流脉动规律,并与试验结果进行了对比分析。李连生等人采用一维非定常气流数值方法分析了涡旋压缩机排气气流脉动规律。
一维CFD分析方法虽然具有计算方便等优点,但是由于其只考虑了主流方向上的气流脉动,因此对于气流通路几何结构较为复杂的问题误差较大。随着计算流体力学的不断发展,三维CFD方法在压缩机气流脉动分析领域也得到了越来越多的应用。在这方面,Fagotti和Possamai首先建立了压缩机吸气缓冲腔的三维CFD模型并采用商用CFD分析软件Fluent分析了腔内的压力脉动和压力损失,他们指出边界条件,湍流模型和数值求解方法对于压缩机气流脉动的分析的精度有较大的影响。Kerpicci和Oguz通过建立瞬态的三维CFD模型分析了往复式压缩机吸气腔内压力和容积变化规律,得到了阀片的升程曲线。在其他类型的容积式压缩机方面,Mujic等运用三维CFD方法分析了螺杆压缩机排气腔开孔形状对气流脉动的影响规律,通过对排气孔面积和位置的优化,使压缩机排气腔内的压力脉动幅值下降了5 d B。冯健美等采用准静态假设,采用三维CFD方法分析了涡旋压缩机排气孔对压力脉动的影响。Cyklis提出了一种基于三维CFD方法的拉普拉斯变换传递矩阵模型,并运用该模型分析了压缩机气流脉动,通过实验进行了验证。有关专家将这种基于拉普拉斯变化的传递矩阵方法与CFD中的两相流分析方法相结合,使之可以应用到含有液体污染物的气流脉动CFD分析中,并与实验结果进行了对比,取得了较好的一致性。
5 结语
从以上的有关压缩机气流脉动时域分析研究可以看出,大部分的CFD研究都是针对具体的研究对象,研究的结论并不具有普遍适用性。另一方面,时域分析方法和频域分析方法都相对独立,并不能合理地利用频域分析和时域分析各自的优势。在时域分析方法中,时域模型对非线性的气流脉动的处理具有一定的优势,但由于其基于非定常的流体力学方程,而气流脉动的分量相对于流场的平均值都比较小,通常其双振幅值低于平均值的10%,这就要求对压缩机模型网格精度要求很高。另外,当分析高频的气流脉动时,为了得到准确的分析结果还需要根据采样定理选择相应的时间步长,当气流脉动的频率比较高时,对时间步长的要求就很高了。而频域分析方法是建立求解线性波动方程的基础上的,相对需要的计算资源相对较小。因此,基于时域分析和频域分析方法各自的优势,建立CFD和声学分析相结合的压缩机气流脉动分析方法,是分析压缩机气流脉动问题的一种新的思路。
摘要：近年来,在整个国民经济不断进步的大背景下,能源化工行业作为国民经济的基础和支柱型产业,也得到了迅猛发展。压缩机作为能源化工行业中常用的动设备装置,人们对其性能和可靠性的要求也越来越高。其中容积式压缩机的气流脉动问题是影响压缩机性能、噪声和安全性的主要因素。有关气流脉动分析方法和理论模型的研究一直以来被广大的研究人员所重视。本文调研了压缩机气流脉动分析方法及研究现状,并指出了今后重点需关注的研究内容。
脉动测试方法 篇7
关键词：汽车发动机转速测量,快速傅里叶变换,有源滤波器,谐波分析
发动机转速测量的方式有多种,常用的有点火线圈脉冲、汽车振动分析测量[1]、光电传感器测量等方式。由于新型轿车的发动机封闭性比较强,无法靠近点火脉冲线圈,采用点火线圈脉冲方式测量已不适用,振动的测量方式针对振动微弱的V6发动机会出现测量不准确,高速时振动检测有干扰影响等问题,同时这2种方式均需要打开汽车前端机盖,操作繁琐,安全系数较低;通过汽车点烟器提取汽车蓄电池电压,而蓄电池电压中含有脉动的谐波成分,如果隔离出直流信号,提取其中交流信号,滤除掉杂波以及高频干扰,放大和发电机转速相关的信号,采用TI公司的TMS320F2812为平台进行信号采集,并用快速傅里叶变换计算出其中的频率成分,分析谐波频率就可得到和汽车转速相关的信息,通过间接换算得到汽车转速。
1 信号的滤波和变换
1.1 信号耦合
首先通过隔直通交电路将信号的蓄电池端电压直流分量滤掉,如图1所示,通过电容C67将直流分量滤除,然后通过电压跟随电路将微弱的交流信号耦合到下一级运放进行信号处理。
1.2 高通滤波
用FILterSolution软件设计无限增益负反馈有源2阶高通滤波器,截止频率为600 Hz,滤掉汽车充电系统电压调节器产生的低频信号,通过2个二阶高通滤波器串联的形式增加衰减增益,如图2所示。
1.3 低通滤波
通过计算得到无限增益多路负反馈有源低通滤波器的各个参数,然后采用软件仿真,设计出可行的滤波器,如图3所示,并且串联一个开关电容滤波器对信号进行高频衰减,开关电容滤波器的时钟频率为1 mHz,由DSP提供,根据max291使用要求,计算得到截止频率为10 kHz。
1.4 带通滤波
将低通和高通滤波器串联形成带通滤波,就可以得到和转速相关的频率信号(1～10 kHz),最后通过一个单电源供电运放,如图4所示,将交变信号提升为直流变化信号,输出通过D6作3 V限幅,从而进入DSP的A/D测量通道进行采样分析。电路如图4所示。
2 信号的采集和分析
信号的采集采用TMS320F2812平台,2 812自带12位高精度A/D转换,最小分辨率为0.000 732 V,满足了信号检测的精度要求,最高允许测量电压是3 V,所以最后一级输出采用+5 V单电源运放将信号电压抬高至0 V以上,输出用电阻分压,以及限幅电路,将电压限制在3 V以内。然后连接到DSP的A/D1上面。DSP采用事件触发的方式启动A/D转换,根据香农定理,采样频率是最高可测量信号频率的2倍,这样才可还原采集的信号,可测量的最高频率为10 kHz,所以采样频率设置为20 kHz,FFT变换采用1 024点,最小分辨频率为20 Hz,为提高测量精度,可以采用更高FFT变换点数[2]。
对模拟电压信号做快速傅里叶变换,可以计算出模拟信号的频谱,TI公司提供快速傅里叶变换函数库,直接调用库文件fft就可以计算得到频率谱。根据计算得到的频率谱,分析其中的幅值最大点的位置,由此可以计算得到蓄电池的基波频率,如果频谱中带有固定干扰频率而且干扰频率幅值比基波频率幅值大,就采用取第二大幅值算法,从而得到随汽车转速变化的频率。
3 汽车发动机转速计算方法
首先对各个参数进行命名:n为发电机转速;N为汽车转速;f为发电机的三相电压频率;P为发电机转子磁极对数;F为整流后纹波频率;k为发电机和发动机转速比;K为转速与基波频率比例系数
(1)汽车发电机定子磁场旋转速度
(2)发电机整流后的基波频率[3]
F=f×i (2)
其中,i为常数,一般等于6,整流后的纹波频率为基波的6倍。
(3)汽车转速
N=n/k (3)
(4)发动机转速计算的通用公式
N=60×F/(p×i×k)=K×F (4)
其中,K=60/(k×p×i)为常数,由式(4)可得汽车转速和蓄电池端电压的基波频率成正比。一般普通4缸4冲程汽车发电机的极对数P=6,转速比k=1/2,i=6,因此K=5/6,汽车转速
N=5/6×F (5)
4 实验数据分析
通过对长安奔奔汽车测试得到的实验数据,测量结果如表1所示,表中对示波器和DSP的测量结果做了对比。其中发动机的速度N通过汽车转速表盘观察所得,基波频率F是测量所得,比例系数和转速比通过式(4)计算所得。将表1中的F=1 000 Hz,代入式(5)计算得到N=833 r/min和实际的测量结果900基本吻合,误差来源于转速比系数。
5 误差分析
汽车用电设备产生的谐波是干扰的主要来源,而且这个频率在发电机输出的基波频率1～10 kHz之间,幅值比较大,最后在确定转速基波频率时就要通过查找最大值算法区分。式(4)可知误差主要的影响因素是发动机和发电机转速比k,以及DSP测量的频率F,因为不同汽车的转速比系数不同,如果笼统设置k为2,显然不合理,所以这种测量的方式,最根本的误差产生于此;其次测量频率的误差也是影响因素,测量频率分辨率决定了汽车速度测量的分辨率。目前采样频率为20 kHz,测量的频率误差为20 Hz,假设系数k=2;代入N=5/6×F=17 r/min,分辨率就为17 r/min,如果根据发动机速度自动降低测量的频率就可以获得较高的测量精度,比如采样频率设置为6 kHz,转速误差就是(6 000/1 024)×5/6≈5 r/min。
6 结束语
虽然文中测量方式方便快捷,但转速比系数的误差以及不确定性,导致计算出的汽车转速产生误差,所以还需要其他方式辅助计算出转速比,比如在汽车怠速时采用加速度传感器测量振动频率推算出汽车转速,因为汽车怠速的范围一般在700～1 500 r/min之间,所以测量怠速较简单,同时测量出蓄电池电压的基波频率,通过转速和基波频率计算得到比例系数,采用这个系数乘以测得的基波频率就可以测算汽车转速,这种方法精度高,且测量方便。其次通过增加FFT变换的点数,采用更高主频的DSP,都可以提高分辨率,增加测量精度。
参考文献
[1]陈曦,袁文文.基于汽车振动分析的发动机在线转速实验研究[J].自动化与仪表,2011(1):15-23.
[2]C28x Foundation Software.Module user's guide C28x founda-tion software[R].Texas Instruments Inc,2002.
[3]陈水.用波形图解法分析交流发电机Y0(中心点)整流电路[J].汽车电器,2010(6):6-10.
[4]丁美玉,高西全.数字信号处理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2000.
[5]苏奎峰,吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2006.