CN107843408B - 基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法 - Google Patents

基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法，属于工业清洗技术领域。该装置包括水箱、水泵、压力表、流量计、压力传感器、水听器、自振喷嘴装置、高压罐、打击靶盘、多功能数据采集系统、计算机、伺服电机、电磁溢流阀和数控操作台。检测时，将自振喷嘴装置置于高压罐内，在高压罐外的前端管道上布置压力传感器，在高压罐内的打击靶盘附近布置水听器，调整射流流速、罐内围压等参数获得不同工况，数据采集系统对信号进行同步采集与处理，并实时显示自振射流振荡及空化噪声的频率与幅值，从而实现自振喷嘴性能检测。本发明可作为实验室自振喷嘴性能的检测手段，也可用作现场使用时自振喷嘴性能的调控系统。

Description

基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法
技术领域
本发明涉及工业清洗技术领域，特别是指一种基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法。
背景技术
水射流是以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制等特点，从而在各行业得到广泛应用。自振射流是利用流体力学、流体共振、流体弹性学和水声学等原理发展起来的一种新型高效射流，它兼有脉冲射流、空化射流的特点，通过自激在特殊的结构中产生振荡，将连续射流变成振荡脉冲射流，从而产生强烈的水锤作用及空化效果，极大地提高射流的工作效率，因此在深海采矿、石油钻井、清洗切割等领域具有广阔应用前景。虽然自振射流在多个领域得到较好应用，但由于目前自振射流调制机理尚不清楚，缺少有效的调制技术而限制了其推广使用。而实时准确获取自振射流特性，是实现自振射流特性调制、对射流频率特性与空化特性精确控制的前提。传统的自振射流喷嘴性能检测方法以冲蚀实验和打击实验为主，在高围压下射流特性信号获取方面存在不足。冲蚀实验仅能对不同工况下射流的打击效果进行比较，而无法对自振频率等射流动力参数进行分析。而对于打击实验，淹没条件下随着围压增大标靶起振困难，传感器防水问题凸显；实验装置安装过程中，标靶中心与射流几何中心的对中性会导致测量幅值存在较大偏差。本课题组之前提出的喷嘴腔内信号检测方法除可能对腔内流体流动状态造成影响外，亦无法克服高围压环境限制。以上方法均较难实现高围压下射流脉动信号及动力学特性的实时检测，因此，研制一种可靠性高、自振效果直观且适用于高围压环境下的自振喷嘴性能检测装置与方法，对于自振射流调制机理的完善、自振射流喷嘴的产品化及自振射流技术的推广与应用具有重要意义。
本课题组已获得1项相关的国家授权实用新型(ZL201420253178.2)，即一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置(以下称“原专利”)，原专利在喷嘴装置振荡腔体外周和振荡腔碰撞面下端设置信号采集孔并安装传感器，并通过对数据采集与分析获得喷嘴腔内流体压力脉动特性，进而实现自振喷嘴性能的检测。原专利信号测点均布在喷嘴侧壁，无法满足高围压下对喷嘴性能检测的要求，无法削弱噪声干扰，不能实时调整环境围压及靶距，无法检测空化噪声。本发明与原专利有以下不同：(1)压力信号测点置于高压罐外的前端管道上，基于管道流体信号对自振喷嘴性能进行检测，有利于高围压下开展实验研究工作；(2)采用双压力传感器采集流体脉动信号，并采用自适应方法和相关分析方法削弱噪声干扰，提高有用信号强度；(3)实现罐内围压、喷嘴靶距等参数的自动调整，满足实验时对不同工况的需求；(4)高压罐内靶盘处设置水听器检测空化噪声，有利于分析自振射流空化效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法。该装置可以不受高围压的影响，实时准确地检测自振喷嘴产生的压力脉动信号与空化噪声信号；针对以上获得的压力脉动信号，本发明提供一种高压水射流自振喷嘴性能分析方法，可以有效削弱噪声干扰，实现自振频率分量的提取，同时采用声功率分析检测自振射流的空化效果，进而实现自振喷嘴性能的实时分析。
该装置包括水箱、水泵、压力表、流量计、压力传感器A、压力传感器B、水听器、压力传感器C、自振喷嘴装置、高压罐、打击靶盘、多功能数据采集系统、计算机、伺服电机、电磁溢流阀和数控操作台；其中，水箱、水泵、压力表、流量计和自振喷嘴装置依次相连，在高压罐外的管道上布置压力传感器A和压力传感器B，在自振喷嘴装置出水口旁布置水听器，自振喷嘴装置位于高压罐内，在高压罐上盖布置压力传感器C，打击靶盘位于高压罐内，打击靶盘设置在自振喷嘴装置下方，打击靶盘连接高压罐外的伺服电机，流量计、压力传感器A、压力传感器B、水听器和压力传感器C分别通过多功能数据采集系统与计算机相连，能够实现对数据的实时处理、分析、显示与记录；水泵、电磁溢流阀和伺服电机分别与数控操作台相连，实现实验参数的自动调整。
压力传感器A和压力传感器B之间间隔固定，为18cm。
水听器在高压罐内，布置在与自振喷嘴装置出水口相平行位置。
打击靶盘通过丝杠与伺服电机相连，通过数控操作台实时显示与调整打击靶盘位置；通过数控操作台改变水泵的转速；数控操作台控制电磁溢流阀调整高压罐内围压。
该检测装置的使用方法，具体为：由水泵提供的高压水通过系统管道接入自振喷嘴装置，通过流量计显示并记录检测装置中的工作水流量，通过压力传感器C记录显示实验中高压罐内围压大小，通过压力传感器A、压力传感器B采集流体振荡信息，通过水听器采集空化噪声信息，通过多功能数据采集系统将流量计、压力传感器A、压力传感器B、水听器和压力传感器C拾取到的信息传输到多功能数据采集系统数采前端，通过多功能数据采集系统将拾取到的信息进行处理，并将数据导出送入计算机分析，通过自适应噪声对消方法对管道流体压力脉动数据进行预处理，提高有用信号强度，进而通过相关分析法分析自振射流频率特性，并实时显示所需要的自振信息，研究射流振荡效果；同时分析处理水听器采集到的空化噪声信号，检测自振射流的空化效果。
自振喷嘴装置产生的压力脉动信号与水泵产生的干扰噪声信号相混叠，所述的自适应噪声对消方法，将压力传感器A与压力传感器B采集到的管路流体信号进行自适应滤波，削弱其中的噪声信号，继而处理得到压力脉动频谱并实时显示。为了分析泵引起的干扰噪声与自振喷嘴振荡信号的相关性，对压力传感器A与压力传感器B采集到的压力脉动信号进行相关分析，从而检测自振射流频率特性。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明操作简便、可靠性好，无需传统标靶打击与冲蚀实验，成本低，工作效率高；基于管道流体信号传输原理在流体管道上设置信号采集孔安装传感器拾取振荡信号，可不受高围压环境的影响，更有利于开展高围压或超高围压下自振射流性能的实验研究工作；采用自适应方法及相关分析方法，可削弱噪声干扰，提高有用信号强度；利用压力传感器与水听器同步采集压力脉动信号及空化噪声信号，并实时显示自振射流振荡信号及空化噪声信号的频率与幅值，可实现自振射流振荡特性和空化效果的检测；实验装置可实现罐内围压及喷嘴靶距等参数的自动调整，满足实验时对不同工况的需求，实现自振喷嘴性能的实时检测分析功能。该发明为高围压下自振喷嘴实验提供了测试手段，为自振射流的研究奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置结构示意图；
图2为采用本发明的信号检测分析方法获得的强烈自振工况下压力信号时域图及频谱图，其中，(a)为压力信号时域图，(b)为压力信号频谱图；
图3为采用本发明的信号检测分析方法获得的强烈自振工况下空化噪声信号时域图及频谱图，其中，(a)为空化噪声信号时域图，(b)为空化噪声信号频谱图；
图4为采用本发明的信号检测分析方法获得的非强烈自振工况下压力信号时域图及频谱图，其中，(a)为压力信号时域图，(b)为压力信号频谱图。
其中：1—水箱；2—水泵；3—压力表；4—流量计；5—压力传感器A；6—压力传感器B；7—水听器；8—压力传感器C；9—自振喷嘴装置；10—高压罐；11—打击靶盘；12—多功能数据采集系统；13—计算机；14—伺服电机；15—电磁溢流阀；16—数控操作台。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法。
如图1所示，该装置包括水箱1、水泵2、压力表3、流量计4、压力传感器A5、压力传感器B6、水听器7、压力传感器C8、自振喷嘴装置9、高压罐10、打击靶盘11、多功能数据采集系统12、计算机13、伺服电机14、电磁溢流阀15和数控操作台16；其中，水箱1、水泵2、压力表3、流量计4和自振喷嘴装置9依次相连，在高压罐10外的管道上布置压力传感器A5和压力传感器B6，在自振喷嘴装置9出水口旁布置水听器7，自振喷嘴装置9位于高压罐10内，在高压罐上盖布置压力传感器C8，打击靶盘11位于高压罐10内，打击靶盘11设置在自振喷嘴装置9下方，打击靶盘11连接高压罐10外的伺服电机14，流量计4、压力传感器A5、压力传感器B6、水听器7和压力传感器C8分别通过多功能数据采集系统12与计算机13相连；水泵2、电磁溢流阀15和伺服电机14分别与数控操作台16相连。
压力传感器A5和压力传感器B6之间间隔固定，为18cm。
水听器7在高压罐10内，布置在与自振喷嘴装置9出水口相平行位置。
打击靶盘11通过丝杠与伺服电机14相连，通过数控操作台16实时显示与调整打击靶盘11位置；通过数控操作台16改变水泵2的转速；数控操作台16控制电磁溢流阀15调整高压罐10内围压。
如图1所示的装置结构，其检测方法为：由水泵2提供的高压水通过系统管道接入自振喷嘴装置9，流量计4用来显示并记录系统中的工作水的流量，压力传感器C8用来显示并记录实验中围压大小；压力传感器A5与压力传感器B6，采集流体脉动信号，水听器7采集空化噪声信号；通过多功能数据采集系统12将传感器拾取到的信号传输到数采前端，通过多功能数据采集系统12设定合适的采样频率将传感器拾取到的信息进行处理分析，并将数据导出送入计算机13，通过自适应噪声对消方法对原始数据进行预处理，进而提取并实时显示所需要的自振信息，研究射流振荡效果；同时对水听器7采到的噪声信号进行声功率分析，研究射流空化效果。
其中，自振喷嘴装置9产生的压力脉动信号与水泵2产生的干扰噪声信号相混叠，所述的自适应噪声对消方法，将压力传感器A5与压力传感器B6采集到的管路流体信号进行自适应滤波，削弱其中的噪声信号，继而处理得到压力脉动频谱并实时显示。为了分析泵引起的干扰噪声与自振喷嘴振荡信号的相关性，对压力传感器A5与压力传感器B6采集到的压力脉动信号进行相关分析，从而检测自振射流频率特性。
如图2(a)压力信号时域图所示，发生强烈自激振荡时，该方法可以清晰提取射流的压力脉动，且经过自适应滤波后，获得压力脉动时域图谱周期明显，时域波动幅值为1.5MPa左右。
如图2(b)压力信号频谱图所示，发生强烈自激振荡时，由该方法获得的频谱图中可以看出：频谱图中有两条谱线，大约是6.6kHz，13.2kHz。而实际试验中使用三柱塞水泵，电动机工作转速为1450r/min，经过减速器柱塞产生的压力脉动频率为13Hz及其倍频；根据自振喷嘴频率公式计算，该自振喷嘴产生自振射流频率应在14kHz左右，经过分析提取的频谱中，在13kHz左右的频带，推断应为自振喷嘴的振荡频率。通过改变不同工况，可进一步分析不同结构参数、来流参数等对自振的影响，研究自振射流机理，获得最佳自振射流效果。
同步采集得到的空化噪声信号，分析得到空化噪声信号时域及频域图如图3所示，发生高频强烈自振时伴随剧烈的空化效果，其声功率谱图峰值频率基本与压力信号频谱图一致。
如图4压力信号时域及频域图所示，未发生强烈自激振荡时，时域压力波动幅值及频域频率值均较小。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置，其特征在于：包括水箱(1)、水泵(2)、压力表(3)、流量计(4)、压力传感器A(5)、压力传感器B(6)、水听器(7)、压力传感器C(8)、自振喷嘴装置(9)、高压罐(10)、打击靶盘(11)、多功能数据采集系统(12)、计算机(13)、伺服电机(14)、电磁溢流阀(15)和数控操作台(16)；其中，水箱(1)、水泵(2)、压力表(3)、流量计(4)和自振喷嘴装置(9)依次相连，在高压罐(10)外的管道上布置压力传感器A(5)和压力传感器B(6)，在自振喷嘴装置(9)出水口旁布置水听器(7)，自振喷嘴装置(9)位于高压罐(10)内，在高压罐上盖布置压力传感器C(8)，打击靶盘(11)位于高压罐(10)内，打击靶盘(11)设置在自振喷嘴装置(9)下方，打击靶盘(11)连接高压罐(10)外的伺服电机(14)，流量计(4)、压力传感器A(5)、压力传感器B(6)、水听器(7)和压力传感器C(8)分别通过多功能数据采集系统(12)与计算机(13)相连；水泵(2)、电磁溢流阀(15)和伺服电机(14)分别与数控操作台(16)相连；
所述水听器(7)在高压罐(10)内，布置在与自振喷嘴装置(9)出水口相平行位置；
该装置不受高围压的影响，实时准确地检测自振喷嘴产生的压力脉动信号与空化噪声信号；
该检测装置的使用方法，具体为：
由水泵(2)提供的高压水通过系统管道接入自振喷嘴装置(9)，通过流量计(4)显示并记录检测装置中的工作水流量，通过压力传感器C(8)记录显示实验中高压罐(10)内围压大小，通过压力传感器A(5)、压力传感器B(6)采集流体振荡信息，通过水听器(7)采集空化噪声信息，通过多功能数据采集系统(12)将流量计(4)、压力传感器A(5)、压力传感器B(6)、水听器(7)和压力传感器C(8)拾取到的信息传输到多功能数据采集系统(12)数采前端，通过多功能数据采集系统(12)将拾取到的信息进行处理，并将数据导出送入计算机(13)分析，通过自适应噪声对消方法对管道流体压力脉动数据进行预处理，提高有用信号强度，进而分析自振射流频率特性，并实时显示所需要的自振信息，研究射流振荡效果；同时分析处理水听器采集到的空化噪声信号，检测自振射流的空化效果。
2.根据权利要求1所述的基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置，其特征在于：所述压力传感器A(5)和压力传感器B(6)之间间隔固定，为18cm。
3.根据权利要求1所述的基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置，其特征在于：所述打击靶盘(11)通过丝杠与伺服电机(14)相连，通过数控操作台(16)实时显示与调整打击靶盘(11)位置；通过数控操作台(16)改变水泵(2)的转速；数控操作台(16)控制电磁溢流阀(15)调整高压罐(10)内围压。
4.根据权利要求1所述的基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置，其特征在于：自振喷嘴装置产生的压力脉动信号与水泵产生的干扰噪声信号相混叠，所述的自适应噪声对消方法，将压力传感器A(5)与压力传感器B(6)采集到的管路流体信号进行自适应滤波，削弱其中的噪声信号，继而处理得到压力脉动频谱并实时显示。
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