CN103018062B - 一种文丘里施肥器空化发生的监测装置及监测判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种文丘里施肥器空化发生的监测装置及监测判定方法，其特征在于：它包括动态应变仪、监测器、应变片和压力传感器；应变片贴在文丘里施肥器的外表面，应变片连接动态应变仪，动态应变仪连接监测器，监测器还连接压力传感器，压力传感器设置在文丘里施肥器的进出口；监测器内预置有输入模块、存储模块、数据处理模块、报警模块和显示模块；输入模块的输入端连接动态应变仪和压力传感器的输出端，输入模块的输出端连接存储模块的输入端，存储模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块的输出端连接报警模块和显示模块，报警模块的输出端连接显示模块。本发明对外部环境要求低，装置体积小、灵敏度高、试验成本低、适用性强、操作便捷，适用于流体机械设备内部空化发生的监测判定。

Description

一种文丘里施肥器空化发生的监测装置及监测判定方法

技术领域

本发明涉及一种对机械内部流体流动发生空化进行监测的监测装置及监测判定方法，特别是关于一种用于文丘里施肥器空化发生的监测装置及监测判定方法。

背景技术

空化是由于流体流动过程中因局部流体压降低至水的饱和蒸气压时，流体内部或固液交界面上出现的气泡形成、发展和溃灭过程。主流观点认为，由于流体压强较低时，流体内部的气泡初生，并将会逐渐发育膨胀，此时因为气泡不断膨胀，周围的流体压强将会变大，气泡又将因此发生收缩，甚至部分发生溃灭，这将会产生巨大能量，这一膨胀收缩的过程会重复出现，直至周围压强变的足够大使气泡完全溃灭。这将对装置设施造成很大的破坏，并且影响其工作性能。

灌溉系统中安装运行文丘里施肥器时，为了提高吸肥流量，加快施肥效率，在进口压力增大有限的情况下，往往从降低出口压力、提高进出口压力差角度来实现，但这种做法易造成文丘里施肥器下游的灌溉系统工作压力低于设计压力，又会造成滴灌灌水不均匀；另一方面，研究还发现，当进口压力保持不变，而增大进出口压力差至某值后，吸肥流量不再上升、出现波动甚至下降，并伴随噪声和振动，一般认为此时文丘里施肥器内部已发生空化。当文丘里施肥器长时间空化运行，会对内流道表面产生磨损，进一步影响了文丘里施肥器的吸肥能力。因此需要对文丘里施肥器空化发生进行有效监测，准确划定合理的工作压力范围。

目前有关空化检测和状态识别的方法主要有摄像法、涂料腐蚀法、静压测量法、振动测量法等。针对流体机械结构，从已发表论文中可获知有学者用离散噪声法对泵内空化进行分析，或采用加速度计分析离心泵的空化现象，或采用特性图检测截止阀中的空化现象，也有学者采用高速摄像机和粒子图像测速技术确定文丘里管内部的空化过程。

考虑到文丘里施肥器工作环境复杂，采用噪声分析技术容易受到外部杂音干扰；加速度计测量法要求被测物体具有一定质量，对于较小质量的文丘里施肥器，不宜使用此方法分析振动；特性图的获取过程比较繁琐，不利于实际操作；文丘里施肥器材料为塑料，不是透明装置，无法直接采用摄像法和粒子图像测速技术。截止目前，尚没有对文丘里施肥器内部流动出现的空化进行经济且行之有效的监测和判定方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确、可靠地监测文丘里施肥器内部是否发生空化，确保文丘里施肥器在合理工作压力范围内运行的文丘里施肥器空化发生的监测装置及监测判定方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种文丘里施肥器空化发生的监测装置，其特征在于：它包括动态应变仪、监测器、应变片和压力传感器；所述应变片贴在所述文丘里施肥器的外表面，所述应变片通过信号线连接所述动态应变仪，所述动态应变仪通过数据线连接所述监测器，所述监测器还通过数据线连接所述压力传感器，所述压力传感器设置在所述文丘里施肥器的进出口；所述监测器内预置有输入模块、存储模块、数据处理模块、报警模块和显示模块；所述输入模块的输入端连接所述动态应变仪和压力传感器的输出端，所述输入模块的输出端连接所述存储模块的输入端，所述存储模块的输出端连接所述数据处理模块的输入端，所述数据处理模块的输出端连接所述报警模块和显示模块，所述报警模块的输出端连接所述显示模块。

所述应变片贴在所述文丘里施肥器的扩散段的外表面、靠近喉部的位置。

所述应变片与所述文丘里施肥器的喉部之间的距离为所述文丘里施肥器的扩散段长度的1/3～1/5。

上述一种文丘里施肥器空化发生的监测装置的监测判定方法，其包括以下步骤：1）首先对待监测的文丘里施肥器进行标定；①将应变片粘贴在文丘里施肥器的外表面，连接应变片与动态应变仪，连接动态应变仪与监测器，连接压力传感器与监测器；②动态应变仪测量应变片产生的应变，并将应变数据信号传送给监测器，压力传感器采集文丘里施肥器的进出口压力信号，并将进出口压力信号传送给监测器；③监测器的输入模块采集动态应变仪传送的应变数据信号和压力传感器传送的进出口压力信号，并将应变数据信号和进出口压力信号输入给存储模块；存储模块用来记录并存储文丘里施肥器在一定时间段内采集到的应变数据和压力数据，并将应变数据和压力数据传送给数据处理模块；④数据处理模块利用公式（1）计算该时间段内采集到的应变数据的标准差SD：

$\mathrm{SD}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}^2---\left(1\right)$

其中，SD表示该时间段内采集到的应变数据标准差；n表示该时间段内采集的所有应变数据的个数；ε_j表示该时间段内的第j个应变数据，表示该时间段内采集到的所有应变数据的平均值；⑤保持进口压力不变，结合实际运行中的可能压力，从大到小改变出口压力，得到若干组不同进出口压力差的工况下，对应的一定时间段内的应变数据标准差SD；⑥各应变数据标准差SD的平均值上升变化率η_m为：

${\mathrm{\η}}_m=\frac{{\mathrm{SD}}_m-\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}{\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}---\left(2\right)$

其中，η_m表示m组进出口压力差工况下，应变数据标准差的平均值上升变化率；SD_m表示第m组进出口压力差工况下的应变数据标准差，SD_i表示第i组进出口压力差工况下的应变数据标准差；当η_m大于设定值时，表明应变数据标准差急剧增加，此时对应的应变数据标准差SD_m就是空化发生的临界应变数据标准差SD_c；2）对进行标定后的文丘里施肥器进行监测判定；①在文丘里施肥器工作过程中，由监测器的输入模块采集应变数据信号，通过监测器的存储模块记录并存储一定时间段内采集的应变数据，通过数据处理模块获得该时间段内的应变数据标准差；②将得到的应变数据标准差与临界应变数据标准差SD_c进行对比，当所得到的应变数据标准差大于SD_c时，报警模块将发出警报，即可判定此时文丘里施肥器的内部已发生空化。

所述步骤1）的步骤⑤中，保持进口压力不变，从大到小改变出口压力，得到10～15组进出口压力差的工况。

所述步骤1）的步骤⑥中，当η_m大于设定值时，表明应变数据标准差急剧增加，该所述设定值的取值范围为15%～30%。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将应变片贴在文丘里施肥器扩散段的外表面，应变片与动态应变仪相连接，应变信号通过动态应变仪输出端连接到监测器；通过改变文丘里施肥器的进出口压力差，监测器记录并保存该工况下的应变数据，计算其标准差，得到一定进口压力下，应变标准差与进出口压差之间的变化趋势；当应变标准差发生显著持续变大时，监测器发生报警，可判定文丘里施肥器发生空化。2、本发明利用贴在文丘里施肥器表面的应变片来检测施肥器的内部流动，并将应变数据通过监测器进行显示，应变数据即可认为是文丘里施肥器内部流动的一种外部特征反映；若应变发生显著持续变大，可认为内部发生剧烈振动，判断其已发生空化现象；因此，无须进入流体机械设备内部、而只需通过监测贴在流体机械设备外表面应变片的应变标准差而间接地判定其内部是否发生空化。本发明克服了传统流体机械设备空化监测和判定方法对设备及外部环境要求高、过程复杂、不易操作等缺点，具有监测装置体积小、灵敏度高、试验成本低、适用性强、操作简单便捷等优点，因此，本发明可以适用于流体机械设备内部空化发生的监测和判定。

附图说明

图1是本发明文丘里施肥器外表面贴应变片示意图

图2是本发明监测装置结构示意图

图3是本发明监测器各模块关系示意图

图4是本发明应变标准差与进出口压差的曲线图

图5是本发明应变标准差与吸肥流量的曲线图

图6是本发明数值模拟空化长度与进出口压差的曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明所涉及的文丘里施肥器1包括依次设置的工作水进口段11、收缩段12、喉部13、扩散段14和混合液出口段15。

如图2所示，本发明监测装置包括动态应变仪2、监测器3、应变片4和压力传感器5。

如图1、图2所示，本发明的应变片4贴在文丘里施肥器1的扩散段14的外表面、靠近喉部13的位置，应变片4通过信号线连接动态应变仪2，动态应变仪2通过数据线连接监测器3，监测器3还通过数据线连接压力传感器5，压力传感器5设置在文丘里施肥器1的进出口。动态应变仪2测量应变片4产生的应变，并将应变数据信号传送给监测器3，压力传感器5采集文丘里施肥器1的进出口压力信号，并将进出口压力信号传送给监测器3，通过监测器3将应变数据信号和压力信号进行处理并显示出来，来判定空化是否发生。

如图3所示，本发明的监测器3内预置有输入模块31、存储模块32、数据处理模块33、报警模块34和显示模块35；输入模块31的输入端连接动态应变仪2和压力传感器5的输出端，输入模块31的输出端连接存储模块32的输入端，存储模块32的输出端连接数据处理模块33的输入端，数据处理模块33的输出端连接报警模块34和显示模块35，报警模块34的输出端连接显示模块35。输入模块31用来采集动态应变仪2传送的应变数据信号和压力传感器5传送的进出口压力信号，并将应变数据信号和进出口压力信号输入给存储模块32；存储模块32用来记录并存储文丘里施肥器1在一定时间段内的应变数据和压力数据，并将应变数据和压力数据传送给数据处理模块33；通过数据处理模块33计算该时间段内应变数据的标准差，以及不同进出口压力差工况下各时间段的标准差的平均值上升变化率；当标准差的平均值上升变化率超过设定值时，报警模块34发出警报；显示模块35用来显示实时应变值，生成应变标准差随进出口压力差的变化曲线。

本发明方法基于以下思想：利用贴在文丘里施肥器1表面的应变片4来检测文丘里施肥器1的内部流动，倘若文丘里施肥器1的内部发生空化，随着空泡产生、增长直至溃灭过程的发生，瞬间变化的能量会对文丘里施肥器1的内部管壁产生一定的压强，致使文丘里施肥器1的管壁发生形变；动态应变仪2采集应变片4的应变数据，并通过监测器3进行显示，显示的应变数据即可认为是文丘里施肥器1内部流动的一种外部特征反映；若应变发生显著持续变大，则可认为文丘里施肥器1的内部发生剧烈振动，判断其已发生空化现象。

本发明监测装置的监测判定方法包括以下步骤：

1、首先对待监测的文丘里施肥器1进行标定。

1）用502胶水将应变片4粘贴在文丘里施肥器1的扩散段14外表面、靠近喉部13的位置；应变片4与喉部13之间的距离为L，L值的大小视文丘里施肥器的规格尺寸而定，一般为扩散段14长度的1/3～1/5。

2）检查文丘里施肥器1是否漏水，确保应变片4在文丘里施肥器1外表面粘贴完好，用信号线连接好应变片4与动态应变仪2，用数据线连接动态应变仪2与监测器3。

3）在动态应变仪2上，调节灵敏度，选定增益量程，设定采集频率，进行清零，待文丘里施肥器1稳定工作运行后，打开监测器3，启动动态应变仪2进行监测。

4）由监测器3的输入模块31采集应变信号和进出口压力信号，待文丘里施肥器1在一定进出口压力下，内部流动稳定运行后，通过监测器3的存储模块32记录并存储一定时间段内采集的应变数据；例如历时20s采集的应变数据。

5）监测器3的数据处理模块33利用公式（1）计算该时间段内采集到的应变数据的标准差SD：

$\mathrm{SD}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}^2---\left(1\right)$

其中，SD表示该时间段（例如20s）内采集到的应变数据标准差；n表示该时间段（例如20s）内采集的所有应变数据的个数；ε_j表示该时间段（例如20s）内的第j个应变数据，表示该时间段（例如20s）内采集到的所有应变数据的平均值。

6）保持进口压力不变，结合实际运行中的可能压力，从大到小改变出口压力，可以得到若干组不同进出口压力差的工况下，对应的一定时间段内的应变数据的标准差SD。根据经验一般取10～15组进出口压力差的工况为宜。

7）分析所得到的各个应变数据标准差SD与对应的进出口压力差之间的变化趋势；各个应变数据标准差SD的平均值上升变化率η_m为：

${\mathrm{\η}}_m=\frac{{\mathrm{SD}}_m-\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}{\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}---\left(2\right)$

其中，η_m表示第m组进出口压力差工况下，应变数据标准差的平均值上升变化率；SD_m表示第m组进出口压力差工况下的应变数据标准差，SD_i表示第i组进出口压力差工况下的应变数据标准差。当η_m大于一定值时，约为15%～30%时，表明应变数据标准差SD急剧增加，此时对应的应变数据标准差SD_m就是空化发生的临界应变数据标准差SD_c。

2、对进行标定后的文丘里施肥器1进行监测判定。

1）在文丘里施肥器1工作过程中，由监测器3的输入模块31采集应变数据信号，通过监测器3的存储模块32记录并存储一定时间段内（例如在1000Hz的采集频率下，设置半秒的采集时间段）采集的应变数据，获得该时间段内的应变数据标准差；

2）将得到的应变数据标准差与临界应变数据标准差SD_c进行对比，当所得到的应变数据标准差大于SD_c时，监测器3的报警模块34将发出警报，即可判定此时文丘里施肥器1的内部已发生空化。

下面列举本发明用于监测判定时，对文丘里施肥器1进行标定的过程及验证本发明标定的准确性。

1）对待监测的文丘里施肥器1进行标定。

文丘里施肥器1的进口压力保持0.45MPa不变，从大到小改变出口压力，记录进出口压力差，进出口压力差从小变大。在每一组不同进出口压力差的工况下，采集一定时间段内的应变数据，计算该时间段内的应变数据标准差SD，进而得到各组进出口压力差与对应的应变数据标准差的关系图，如图4所示，共设置了17组进出口压力差工况。从图4中可以看出，当进出口压力差为0.28MPa时，应变数据标准差的平均值上升变化率η_m约为20%，应变数据标准差出现显著持续上升的变化，这表明文丘里施肥器1的内壁受到了强烈的冲击而发生变形，即文丘里施肥器1的内部发生空化，此时对应的应变数据标准差约为2.9即为临界应变数据标准差SD_c，标定完成。

2）为了验证本发明先标定后监测方法的准确可靠性，本实施例通过应变数据标准差和吸肥流量的关系进行检验。

如图5所示，在标定过程中，同时用流量计对文丘里施肥器1的进出口流量进行监测，发现当进出口压差大于0.28MPa，即SD_c大于2.9时，吸肥流量（即出口流量与进口流量之差值）基本不变，根据现有技术中的相关文献记录，表明此时施肥器内部已经开始发生空化，证实了本发明方法的准确可靠性。

3）为了验证本发明先标定后监测方法的准确可靠性，本实施例还通过进出口压力差和空化长度的关系进行检验。

如图6所示，通过Fluent软件对文丘里施肥器1的内部流动数值进行模拟，通过模拟结果发现，当进出口压力差超过0.28MPa以上，即SD_c大于2.9时，文丘里施肥器1从喉部开始沿中心线方向发生空化的范围长度开始明显持续变大，进一步证实了本发明方法的准确可靠性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中L值、所选用文丘里施肥器尺寸和类型、所处的工况等都是可以有所变化的，凡是在本发明监测装置和判定方法基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种文丘里施肥器空化发生的监测装置，其特征在于：它包括动态应变仪、监测器、应变片和压力传感器；

所述应变片贴在所述文丘里施肥器的扩散段的外表面、靠近喉部的位置，所述应变片通过信号线连接所述动态应变仪，所述动态应变仪通过数据线连接所述监测器，所述监测器还通过数据线连接所述压力传感器，所述压力传感器设置在所述文丘里施肥器的进出口；

所述监测器内预置有输入模块、存储模块、数据处理模块、报警模块和显示模块；所述输入模块的输入端连接所述动态应变仪和压力传感器的输出端，所述输入模块的输出端连接所述存储模块的输入端，所述存储模块的输出端连接所述数据处理模块的输入端，所述数据处理模块的输出端连接所述报警模块和显示模块，所述报警模块的输出端连接所述显示模块。

2.如权利要求1所述的一种文丘里施肥器空化发生的监测装置，其特征在于：所述应变片与所述文丘里施肥器的喉部之间的距离为所述文丘里施肥器的扩散段长度的1/3～1/5。

3.一种如权利要求1或2所述文丘里施肥器空化发生的监测装置的监测判定方法，其包括以下步骤：

1)首先对待监测的文丘里施肥器进行标定；

①将应变片粘贴在文丘里施肥器的外表面，连接应变片与动态应变仪，连接动态应变仪与监测器，连接压力传感器与监测器；

②动态应变仪测量应变片产生的应变，并将应变数据信号传送给监测器，压力传感器采集文丘里施肥器的进出口压力信号，并将进出口压力信号传送给监测器；

③监测器的输入模块采集动态应变仪传送的应变数据信号和压力传感器传送的进出口压力信号，并将应变数据信号和进出口压力信号输入给存储模块；存储模块用来记录并存储文丘里施肥器在一定时间段内采集到的应变数据和压力数据，并将应变数据和压力数据传送给数据处理模块；

④数据处理模块利用公式(1)计算该时间段内采集到的应变数据的标准差SD：

$\mathrm{SD}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}^2---\left(1\right)$

其中，SD表示该时间段内采集到的应变数据标准差；n表示该时间段内采集的所有应变数据的个数；ε_j表示该时间段内的第j个应变数据，表示该时间段内采集到的所有应变数据的平均值；

⑤保持进口压力不变，结合实际运行中的可能压力，从大到小改变出口压力，得到若干组不同进出口压力差的工况下，对应的一定时间段内的应变数据标准差SD；

⑥各应变数据标准差SD的平均值上升变化率η_m为：

${\mathrm{\η}}_m=\frac{{\mathrm{SD}}_m-\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}{\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SD}}_i}---\left(2\right)$

其中，η_m表示m组进出口压力差工况下，应变数据标准差的平均值上升变化率；SD_m表示第m组进出口压力差工况下的应变数据标准差，SD_i表示第i组进出口压力差工况下的应变数据标准差；

当η_m大于设定值时，表明应变数据标准差急剧增加，此时对应的应变数据标准差SD_m就是空化发生的临界应变数据标准差SD_c；

2)对进行标定后的文丘里施肥器进行监测判定；

①在文丘里施肥器工作过程中，由监测器的输入模块采集应变数据信号，通过监测器的存储模块记录并存储一定时间段内采集的应变数据，通过数据处理模块获得该时间段内的应变数据标准差；

②将得到的应变数据标准差与临界应变数据标准差SD_c进行对比，当所得到的应变数据标准差大于SD_c时，报警模块将发出警报，即可判定此时文丘里施肥器的内部已发生空化。

4.如权利要求3所述文丘里施肥器空化发生的监测装置的监测判定方法，其特征在于：所述步骤1)的步骤⑤中，保持进口压力不变，从大到小改变出口压力，得到10～15组进出口压力差的工况。

5.如权利要求3或4所述文丘里施肥器空化发生的监测装置的监测判定方法，其特征在于：所述步骤1)的步骤⑥中，当η_m大于设定值时，表明应变数据标准差急剧增加，该所述设定值的取值范围为15％～30％。