CN105865617A - 一种自由汇流旋涡冲击监测系统 - Google Patents

Abstract

一种自由汇流旋涡冲击监测系统，包括：前端信号采集子系统，以自由汇流旋涡振动检测实验台为检测对象，设置振动信号并行采集通道，并行采集检测对象各目标位置的实时振动信号，并传送至信号预处理子系统；信号预处理子系统，包含滤波调理模块、比较分析模块和解耦分离模块，所述的滤波调理模块接收前端信号采集子系统所采集的实时振动信号，采用中值滤波结合线性自适应滤波方法；所述的比较分析模块接收经过滤波调理模块处理过的实时振动信号，与标准信号模板进行比较运算，得到振动信号的状态置信度；所述的解耦分离模块，用于获得汇流旋涡冲击振动信号的有用成分。本发明有效实现对自由汇流旋涡形成过程冲击振动信号的实时、精确采集。

Description

一种自由汇流旋涡冲击监测系统

技术领域

本发明涉及工程流体过程检测与控制领域，尤其是涉及面向自由汇流旋涡冲击监测系统。

背景技术

当流体从一个容器注入另一个容器时，流体积累的能量尤其是周向动能使液面在降低时产生失稳而形成汇流旋涡。相关研究证明，流体积累能量突破液面张力形成旋涡过程存在能量冲击，研究上述振动信号的突变特征对于冶金控制、水利排流、化工萃取、食品分离等领域具有重要意义。

从上世纪60年代开始，国内外相关学者与工程技术人员陆续开展对于旋涡冲击振动方面的研究与技术开发。A.H.Shapiro等人通过简单的实验设备，发现旋涡旋转的方向是随机的，这与容器内部流场的初始条件有关。W.S.Lewellen通过闭回线积分与流函数方法对纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程进行了简化，建立了轴对称的三维汇流旋涡模型，且在其推导计算过程中首次引进了径向雷诺数(RadialReynold Number)的概念。杨文熊基于粘性流体理论，对汇流旋涡的形成机理进行了系统研究，证明径向雷诺数是形成汇流旋涡的一个关键参数，并通过自制的实验系统进行了验证。T.S.Lundgren在轴对称模型的基础上，引入罗斯比数(Rossby Number)，利用埃克曼(Ekman)层流理论对汇流旋涡的成因进行了研究，发现旋涡形成过程中的非线性排流与由埃克曼边界层控制的无粘流具有相似性，并证明在旋涡形成时具有较小的罗斯比数。M.Mory与N.Yurchenko在T.S.Lundgren研究的基础上，对汇流旋涡成因进行了实验研究，发现旋涡贯穿后的结构主要由埃克曼层决定，而旋涡的具体形状尺寸则由埃克曼数决定。A.Andersen等人基于埃克曼层流理论，发现周向速度是形成旋涡的最主要原因；旋涡形成后在旋涡中心具有转速非常高的刚性涡核，具有复合涡的性质；通过荧光流体实验观测到了埃克曼上升流的存在，发现旋涡形成时会产生一定幅度的振动冲击，并伴随有尖锐声音发生。

根据上述分析可知，自由汇流旋涡形成过程中的冲击振动特征能够表征旋涡演化关键临界状态；目前尚没有相关技术或方法实现对自由汇流旋涡形成过程冲击振动信号的实时、精确采集。因此，研发一种自由汇流旋涡冲击监测系统是非常有必要的。

发明内容

为了克服已有技术无法实现对自由汇流旋涡形成过程冲击振动信号的实时、精确采集的不足，本发明提供一种有效实现对自由汇流旋涡形成过程冲击振动信号的实时、精确采集的自由汇流旋涡冲击监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自由汇流旋涡冲击监测系统，该监测系统包括：

前端信号采集子系统，以自由汇流旋涡振动检测实验台为检测对象，设置振动信号并行采集通道，并行采集检测对象各目标位置的实时振动信号，并传送至信号预处理子系统；

所述的旋涡振动检测实验台包括倒锥形容器、容器支撑平台、排流管道、储流容器、水平振动导杆和纵向振动导杆，倒锥形容器安装在容器支撑平台上，排流管道安装在倒锥形容器下端，并穿过容器支撑平台上，下探至储流容器；排流管道与水平振动导杆相连，水平振动导杆与纵向振动导杆相连；倒锥形容器中的实验流体通过排流管道排出时，会产生流固耦合冲击振动，由此振动信号沿不同的路径传递至实验台的其他各位置；信号采集目标位置包含容器支撑平台上平面、水平振动导杆末端、纵向振动导杆中段、储流容器外侧和实验平台基面；

信号预处理子系统，包含滤波调理模块、比较分析模块和解耦分离模块，其中，

所述的滤波调理模块接收前端信号采集子系统所采集的实时振动信号，采用中值滤波结合线性自适应滤波方法；

所述的比较分析模块接收经过滤波调理模块处理过的实时振动信号，与标准信号模板进行比较运算，得到振动信号的状态置信度；

所述的解耦分离模块，用于获得汇流旋涡冲击振动信号的有用成分，即水平振动导杆末端振动信号的3个分量，处理过程为：通过实验平台基面及其状态置信度，得到基础振动干扰分量，并进行滤除；通过容器支撑平台上平面、纵向振动导杆中段、储流容器外侧测量位置的振动信号及其状态置信度，得到实验过程工作冲击与异常敲击干扰分量，并进行滤除；通过水平振动导杆末端振动信号及其状态置信度，判断其信号强度与相关性。

进一步，所述前端信号采集子系统中，振动信号并行采集通道包含信号采集目标位置、振动传感器、信号线与隔离装置；所述的振动传感器包含高精度内置集成放大电路电涡流传感器、中等精度内置集成放大电路加速度传感器，所述的隔离装置为多路光电耦合隔离装置。

再进一步，所述的振动信号并行采集通道中，水平振动导杆末端为主通道，用于检测旋涡冲击振动的有用成分；所述的有用成分，为旋涡冲击振动信号经过水平振动导杆所传递的三个分量：横向分量、纵向分量与轴向分量；其他信号采集目标位置为辅助通道，用于采集由实验台工作冲击以及异常情况产生的干扰信号。

更进一步，所述振动信号有7个，所述水平振动导杆末端3路振动信号测量位置安装电涡流传感器，其他4路振动信号采集目标位置安装加速度传感器。

所述的比较分析模块中，标准信号模板为在正常、无干扰状态下，通过单路传感器测量的振动信号的平均标准值，包含10个参考分量，依次为最大值、最小值、峰峰值、均方根、幅值方差、频率方差、谐波总量、频率重心、峭度和烈度；所述的状态置信度为经预处理的信号与标准信号进行比较运算后，得到的关于信号状态的评价估值，分为7个类别，依次为超低异常、低异常、正常偏低、正常、正常偏高、高异常和超高异常。

所述监测系统还包括：所述的数据封装与上传子系统，采用基于现场可编程门阵列软核操作系统的数据事务处理系统，包含软核事务控制模块、规格压缩模块、数据封装模块和数据传送模块。

所述的软核事务控制模块，用于针对振动信号实时数据采集、预处理、封装、上传任务，基于现场可编程门阵列定制生成数据处理事务控制器，并完成上述过程所需的控制指令传送、数据采集、数据缓存、数据存储、协议实现、数据交换、控制信息交互和日志文件记录。

所述的规格压缩模块，用于将信号预处理子系统所传送的旋涡冲击振动信号有用成分进行规格化与不失真压缩处理，所述的规格化即对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行正交化、归一化处理；所述的不失真压缩处理采用小波金字塔压缩算法。

所述的数据封装模块，用于根据既定的数据封装协议对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行打包；所述的数据封装协议包含包头与数据序列两部分，其中包头包含时间戳、采集通道、采样频率、分量代号、状态置信度和预留信息，共占用12个字节；所述的数据序列部分存储振动信号数据，格式为双精度浮点数，最大支持64kB容量。

所述的数据传送模块，用于根据约定的数据传输应答协议，将旋涡冲击振动有用成分数据包传送给用户；所述的数据传输协议采用异步转移模式结合码分多址的方法进行传送，并与TCP/IP协议兼容。

本发明的技术构思为：针对自由汇流旋涡形成演变过程所产生的冲击振动信号，采集其临界演变过程的瞬态时域、频域细节信号，并分离其有用成分；其主体功能构架采用嵌入式上下位机双核体系结构，由前端信号采集子系统、信号预处理子系统与数据封装与上传子系统组成。

所述的嵌入式上下位机双核体系结构，主要包含基于嵌入式信号处理器的多路振动信号实时采集与预处理系统、基于现场可编程门阵列软核操作系统的数据事务处理系统。

所述的前端信号采集子系统为多路并行振动信号实时数据采集装置，实现对自由汇流旋涡形成演变过程所产生的冲击振动信号的全息数据采集。

所述的信号预处理子系统对前端信号采集子系统采集的多路振动信号进行滤波、调理、解耦、分离、比较等操作，使所采集的实时振动信号在保留旋涡冲击振动特征的基础上，分离异常、干扰成分，便于计算机分析、存储与传输。

所述的数据封装与上传子系统对经过信号预处理子系统处理的振动信号进行规格化、压缩等操作，根据既定的数据封装协议对数据进行统一封装，形成具有统一模式的数据包，然后根据约定的数据传输应答协议传送给用户。

本发明的有益效果主要表现在：有效实现对自由汇流旋涡形成过程冲击振动信号的实时、精确采集；嵌入式双核心系统架构，具有较好的实时性与事务控制能力；多路并行实时数据采集，结合数字滤波调理方法，实现各路通道之间的数据均衡与增强；模块化数据封装协议，采用异步转移模式结合码分多址的方法进行传送，保证传输过程的稳定性与普适性。

附图说明

图1是自由汇流旋涡冲击监测系统的功能构架示意图；

图2是旋涡振动实验台结构及测量位置分布简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种自由汇流旋涡冲击监测系统，旨在针对自由汇流旋涡形成演变过程所产生的冲击振动信号，采集其临界演变过程的瞬态时域、频域细节信号，并分离其有用成分，以满足不同用户的工程应用需求。如附图1所示，监测系统的主体功能构架采用嵌入式上下位机双核体系结构，由前端信号采集子系统、信号预处理子系统与数据封装与上传子系统组成。

上述系统功能构架中，控制器采用嵌入式上下位机双核体系结构，主要包含基于嵌入式信号处理器的多路振动信号实时采集与预处理系统、基于现场可编程门阵列软核操作系统的数据事务处理系统，前者的工作主频在200MHz以上，后者可根据具体需求进行任务定制与倍频操作，其他各功能模块的具体功能任务可描述如下。

①前端信号采集子系统为多路并行振动信号实时数据采集装置，实现对自由汇流旋涡形成演变过程所产生的冲击振动信号的全息数据采集。

②信号预处理子系统对前端信号采集子系统采集的多路振动信号进行滤波、调理、解耦、分离、比较等操作，使所采集的实时振动信号在保留旋涡冲击振动特征的基础上，分离异常、干扰成分，便于计算机分析、存储与传输。

③数据封装与上传子系统对经过信号预处理子系统处理的振动信号进行规格化、压缩等操作，根据既定的数据封装协议对数据进行统一封装，形成具有统一模式的数据包，然后根据约定的数据传输应答协议传送给用户。

前端信号采集子系统，以自由汇流旋涡振动检测实验台为检测对象，如附图2所示，设置7个振动信号并行采集通道，并行采集检测对象各目标位置的实时振动信号，并传送至信号预处理子系统。

上述方案所涉及的旋涡振动检测实验台由倒锥形容器、容器支撑平台、排流管道、储流容器、水平振动导杆、纵向振动导杆组成。其中，倒锥形容器安装在容器支撑平台上，其材料为透明的聚甲基丙烯酸甲酯，以方便流场状态观察；排流管道通过管螺纹连接安装在倒锥形容器下端，并穿过容器支撑平台上，下探至储流容器，其中容器支撑平台由45号钢板冲减制成，储流容器为高强度聚氯乙烯材料；排流管道通过铰接方式与水平振动导杆相连，水平振动导杆通过铰接方式与纵向振动导杆相连，导杆材料为轻质铝合金无缝管件；倒锥形容器中的实验流体通过排流管道排出时，会产生流固耦合冲击振动，由此振动信号沿不同的路径传递至实验台的其他各位置。

上述方案所涉及的7个振动信号并行采集通道包含信号采集目标位置、振动传感器、信号线与隔离装置。其中，信号采集目标位置包含容器支撑平台上平面(1路振动信号)、水平振动导杆末端(3路振动信号)、纵向振动导杆中段(1路振动信号)、储流容器外侧(1路振动信号)、实验平台基面(1路振动信号)，各路采集通道的采样频率为12kHz，采样点数为1024。振动传感器包含高精度内置集成放大电路电涡流传感器、中等精度内置集成放大电路加速度传感器，其中，电涡流传感器的灵敏度为20mV/mm/s，加速度传感器的灵敏度为100mV/g；水平振动导杆末端3路振动信号测量位置安装电涡流传感器，其他4路振动信号采集目标位置安装加速度传感器；隔离装置为多路光电耦合隔离装置，其所要求开关频率与采样频率相匹配，实现采集过程中的光电隔离，减少冲击振动信号中有用成分的损失。

上述方案所涉及的7个振动信号并行采集通道中，水平振动导杆末端为主通道，主要检测旋涡冲击振动的有用成分。所谓的有用成分，为旋涡冲击振动信号经过水平振动导杆所传递的三个分量：横向分量、纵向分量与轴向分量，其中横向、纵向分量能量较强，轴向分量较弱，易于被现场干扰信号所淹没；其他信号采集目标位置为辅助通道，主要采集由实验台工作冲击以及异常情况产生的干扰信号。

信号预处理子系统，其物理实体为基于嵌入式数字信号处理器的多路信号实时预处理与调理系统，主要包含滤波调理模块、比较分析模块、解耦分离模块，如附图1所示。

上述体系中所涉及的滤波调理模块接收前端信号采集子系统所采集的7路实时振动信号，采用中值滤波结合线性自适应滤波方法，消除实时信号中的异常冲击信号与杂波干扰，便于后期的调制处理。在此基础上，采用自适应信号均衡方法保证各路信号之间的独立性，避免采集信号的二次污染与混叠；采用自适应谱线增强的方法保证采集信号中的旋涡冲击信号有用成分(主要是水平振动导杆的轴向振动分量)不会被干扰信号淹没。

上述体系中所涉及的比较分析模块接收经过滤波调理模块处理过的7路实时振动信号，与标准信号模板进行比较运算，得到上述7路振动信号的状态置信度。针对上述操作需求，标准信号模板为在正常、无干扰状态下，通过单路传感器测量的7路振动信号的平均标准值，包含最大值、最小值、峰峰值、均方根、幅值方差、频率方差、谐波总量、频率重心、峭度、烈度等10个参考分量。上述操作所涉及的状态置信度为经预处理的信号与标准信号进行比较运算后，得到的关于信号状态的评价估值，主要分为超低异常、低异常、正常偏低、正常、正常偏高、高异常、超高异常等7个类别。

上述体系中所涉及的解耦分离模块的主要任务为获得汇流旋涡冲击振动信号的有用成分，即水平振动导杆末端振动信号的3个分量，其处理过程主要包含以下步骤：

①通过实验平台基面及其状态置信度，得到基础振动干扰分量，并进行滤除；

②通过容器支撑平台上平面、纵向振动导杆中段、储流容器外侧等3个测量位置的振动信号及其状态置信度，得到实验过程工作冲击与异常敲击干扰分量，并进行滤除；

③通过水平振动导杆末端振动信号及其状态置信度，判断其信号强度与性关性，进行增强、均衡等操作，最后传送至数据封装与上传子系统。

数据封装与上传子系统为基于现场可编程门阵列软核操作系统的数据事务处理系统，主要包含软核事务控制模块、规格压缩模块、数据封装模块、数据传送模块，如附图1所示。

上述体系中所涉及的软核事务控制模块针对7路振动信号实时数据采集、预处理、封装、上传等任务，基于现场可编程门阵列定制生成数据处理事务控制器，并完成上述过程所需的控制指令传送、数据采集、数据缓存、数据存储、协议实现、数据交换、控制信息交互、日志文件记录等功能。若监控对象及相应采集任务发生变动，相应的软核可根据需求进行重构，充分体现本方案的适用性与工作柔性。

上述体系中所涉及的规格压缩模块将信号预处理子系统所传送的旋涡冲击振动信号有用成分进行规格化与不失真压缩处理。上述操作过程中，规格化即对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行正交化、归一化处理，以便于后续的压缩、封装等流程的顺利实施；不失真压缩处理采用小波金字塔压缩算法，确保旋涡冲击瞬态信号有用分量不会丢失。

上述体系中所涉及的数据封装模块根据既定的数据封装协议对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行打包，通过存储转发方式进行传输。其中，数据封装协议包含包头与数据序列两部分，包头包含时间戳、采集通道、采样频率、分量代号、状态置信度、预留信息等6部分内容，共占用12个字节。数据序列部分存储振动信号数据，格式为双精度浮点数，最大支持64kB容量。

上述体系中所涉及的数据传送模块根据约定的数据传输应答协议，将旋涡冲击振动有用成分数据包传送给用户。其中，数据传输协议采用异步转移模式结合码分多址的方法进行传送，并与TCP/IP协议兼容，保证传输过程的稳定性与普适性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：该监测系统包括：

前端信号采集子系统，以自由汇流旋涡振动检测实验台为检测对象，设置振动信号并行采集通道，并行采集检测对象各目标位置的实时振动信号，并传送至信号预处理子系统；

所述的旋涡振动检测实验台包括倒锥形容器、容器支撑平台、排流管道、储流容器、水平振动导杆和纵向振动导杆，倒锥形容器安装在容器支撑平台上，排流管道安装在倒锥形容器下端，并穿过容器支撑平台上，下探至储流容器；排流管道与水平振动导杆相连，水平振动导杆与纵向振动导杆相连；倒锥形容器中的实验流体通过排流管道排出时，会产生流固耦合冲击振动，由此振动信号沿不同的路径传递至实验台的其他各位置；信号采集目标位置包含容器支撑平台上平面、水平振动导杆末端、纵向振动导杆中段、储流容器外侧和实验平台基面；

信号预处理子系统，包含滤波调理模块、比较分析模块和解耦分离模块，其中，

所述的滤波调理模块接收前端信号采集子系统所采集的实时振动信号，采用中值滤波结合线性自适应滤波方法；

所述的比较分析模块接收经过滤波调理模块处理过的实时振动信号，与标准信号模板进行比较运算，得到振动信号的状态置信度；

所述的解耦分离模块，用于获得汇流旋涡冲击振动信号的有用成分，即水平振动导杆末端振动信号的3个分量，处理过程为：通过实验平台基面及其状态置信度，得到基础振动干扰分量，并进行滤除；通过容器支撑平台上平面、纵向振动导杆中段、储流容器外侧测量位置的振动信号及其状态置信度，得到实验过程工作冲击与异常敲击干扰分量，并进行滤除；通过水平振动导杆末端振动信号及其状态置信度，判断其信号强度与相关性。

2.如权利要求1所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述前端信号采集子系统中，振动信号并行采集通道包含信号采集目标位置、振动传感器、信号线与隔离装置；所述的振动传感器包含高精度内置集成放大电路电涡流传感器、中等精度内置集成放大电路加速度传感器，所述的隔离装置为多路光电耦合隔离装置。

3.如权利要求2所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的振动信号并行采集通道中，水平振动导杆末端为主通道，用于检测旋涡冲击振动的有用成分；所述的有用成分，为旋涡冲击振动信号经过水平振动导杆所传递的三个分量：横向分量、纵向分量与轴向分量；其他信号采集目标位置为辅助通道，用于采集由实验台工作冲击以及异常情况产生的干扰信号。

4.如权利要求3所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述振动信号有7个，所述水平振动导杆末端3路振动信号测量位置安装电涡流传感器，其他4路振动信号采集目标位置安装加速度传感器。

5.如权利要求1～4之一所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的比较分析模块中，标准信号模板为在正常、无干扰状态下，通过单路传感器测量的振动信号的平均标准值，包含10个参考分量，依次为最大值、最小值、峰峰值、均方根、幅值方差、频率方差、谐波总量、频率重心、峭度和烈度；所述的状态置信度为经预处理的信号与标准信号进行比较运算后，得到的关于信号状态的评价估值，分为7个类别，依次为超低异常、低异常、正常偏低、正常、正常偏高、高异常和超高异常。

6.如权利要求1～4之一所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括：所述的数据封装与上传子系统，采用基于现场可编程门阵列软核操作系统的数据事务处理系统，包含软核事务控制模块、规格压缩模块、数据封装模块和数据传送模块。

7.如权利要求6所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的软核事务控制模块，用于针对振动信号实时数据采集、预处理、封装、上传任务，基于现场可编程门阵列定制生成数据处理事务控制器，并完成上述过程所需的控制指令传送、数据采集、数据缓存、数据存储、协议实现、数据交换、控制信息交互和日志文件记录。

8.如权利要求6所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的规格压缩模块，用于将信号预处理子系统所传送的旋涡冲击振动信号有用成分进行规格化与不失真压缩处理，所述的规格化即对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行正交化、归一化处理；所述的不失真压缩处理采用小波金字塔压缩算法。

9.如权利要求6所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的数据封装模块，用于根据既定的数据封装协议对旋涡冲击瞬态信号有用成分数据进行打包；所述的数据封装协议包含包头与数据序列两部分，其中包头包含时间戳、采集通道、采样频率、分量代号、状态置信度和预留信息，共占用12个字节；所述的数据序列部分存储振动信号数据，格式为双精度浮点数，最大支持64kB容量。

10.如权利要求6所述的一种自由汇流旋涡冲击监测系统，其特征在于：所述的数据传送模块，用于根据约定的数据传输应答协议，将旋涡冲击振动有用成分数据包传送给用户；所述的数据传输协议采用异步转移模式结合码分多址的方法进行传送，并与TCP/IP协议兼容。