CN112667958A - 一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程技术领域，公开了一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，采集出水流道内壁设置的压力传感器数据，形成压力脉动信号；对压力脉动信号进行小波包方法分析，通过高低通滤波器对压力脉动信号的高、低频部分分别进行分解与重构，自适应选择相应频带，并与信号频谱相匹配；划分子频带，采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点分解系数求解能量；选择各监测点的能量值最大的子频带进行功率谱分析。与现有技术相比，本发明采用小波包方法分析压力脉动信号，且采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点的重构信号进行快速傅里叶变换，发挥了小波包变换多尺度，多分辨率的优点，也可以发挥快速傅里叶变换在频率识别上的优点。

Description

一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法

技术领域

本发明涉及水利工程泵站技术领域，具体涉及一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法。

背景技术

出水流道是连接水泵和出水池的构筑物，其作用是确保水流在流入出水池的过程中更好地转向和扩散，其内部水流受水泵出口速度分布的影响为三维不稳定的流动，流态及压力变化复杂。

目前，针对出水流道水力性能的研究，主要集中于流道的三维形体优化，空化工况时出水流道的水力性能，速度环量对出水流道水力性能的影响等方面，鲜见对泵装置出水流道压力脉动的研究。若水流在出水流道出现脱流、漩涡等不良流态时，泵装置的运行安全稳定性必然受到影响，因此出水流道内流脉动是影响泵站安全性、稳定性和工程效益的直接因素，开展出水流道内流脉动的分析非常重要。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，通过设置压力脉动传感器收集测试段压力脉动信号，采用小波包方法分析压力脉动信号，解决采用傅里叶变换方法无法反映信号的非平稳、持续时短、时域和频域局部化等弊端。

技术方案：本发明提供了一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，包括如下步骤：

步骤1：在出水流道管壁径向统一平面间隔设置若干压力传感器，采集压力数据，形成压力脉动信号；

步骤2：对所述压力脉动信号进行小波包方法分析，通过高、低通滤波器对所述压力脉动信号的高频和低频部分分别进行分解与重构，自适应选择相应频带，并与信号频谱相匹配；

步骤3：在确定所述压力脉动信号测试采样频率fs的基础上，划分子频带，采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点分解系数求解能量；

步骤4：根据步骤3所述的能量值，选择各监测点的能量值最大的子频带进行功率谱分析。

进一步地，在步骤1之前确定泵装置的扬程与流量，所述扬程与流量可预先直接设定或者分别通过差压变送器与电磁流量计测量取得。

进一步地，所述步骤1中的压力传感器个数为2个或3个或4个，若干个所述压力传感器均匀间隔设置于直管式出水流道的内管壁上，当所述压力传感器个数为2个时，两所述压力传感器之间的夹角为180度；当所述压力传感器个数为3个时，相邻两个压力传感器之间的夹角为120度；当所述压力传感器个数为4个时，相邻两个压力传感器之间的夹角为90度。

进一步地，所述步骤1中数据采集时的采样频率为信号最高频率的5～10倍。

进一步地，所述步骤2中的通过高、低通滤波器对压力脉动信号高频和低频部分分别进行分解与重构的公式为：

其中：

和

为下一层小波包分解的结果；

为上一层的小波分解的结果；j为尺度系数；l为位置系数；n为频率；k为变量；h和g分别为正交共轭低通和高通滤波器；

其中：p和q为小波包重构的低通和高通共轭滤波器系数。

进一步地，所述步骤3中由奈奎斯特采样定理确定最高分析频率为f＝fs/2，每个小波包的频率带宽为d＝f/2^4。

进一步地，所述步骤3中小波包分解后各频段能量用下式计算：

式中：i为小波分解层数；k为变量；N为采样信号的长度；C_i,k为信号在小波域用小波包分解得出的系数。

进一步地，所述步骤4中功率谱为：

式中：f(t)为时域信号；F(ω)为经傅里叶变换的频域信号；P(ω)为FFT功率谱；t为时间(μs)；ω为频率；e为频率ω处的能量比；j＝1,2,…,N。

有益效果：

本发明采用小波包方法分析压力脉动信号，可解决采用傅里叶变换方法无法反映信号的非平稳、持续时短、时域和频域局部化等弊端。通过高低通滤波器对高频和低频部分分别进行分解，可根据信号特性和分析要求自适应选择相应频带，并与信号频谱相匹配，对压力脉动信号进行了更为细致的分解与重构。且小波包时频分析是采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点的重构信号进行快速傅里叶变换，既发挥了小波包变换多尺度，多分辨率的优点，又可以发挥快速傅里叶变换在频率识别上的优点，克服了两种变换单独使用时的不足。

附图说明

图1为本发明一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法的流程图；

图2为本发明实施例立式轴流泵装置出水流道圆柱段断面压力传感器安装位置；

图3为本发明实施例中不同监测点小波包分解子频带(0～31.25Hz)的能量值；

图4为本发明实施例中最优工况时子频带(0～31.25Hz)各监测点的功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明以立式轴流泵装置出水流道圆柱段为例，在立式轴流泵装置出水流道圆柱段的截面上安装有4个压力传感器，参见附图2，相邻两个压力传感器之间的夹角为90度。本发明的出水流道脉动分析方法包括：

步骤1：对上述轴流泵出水流道圆柱段的脉动信号进行采集，压力脉动和能量试验在泵装置最优工况下进行测试。在进行步骤1之前需要确定系统泵装置的扬程与流量，扬程与流量可以预先直接设定或者采用差压变送器测量泵装置的扬程，电磁流量计测取流量，通过二次仪表的信号转换直接采集扭矩、转速、扬程和流量的信号数据。数据采集时保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。

步骤2：对步骤1中的采集的压力脉动信号进行小波包方法分析，通过高、低通滤波器对所述压力脉动信号的高频和低频部分分别进行分解与重构，自适应选择相应频带，并与信号频谱相匹配。

通过高、低通滤波器对压力脉动信号高频和低频部分分别进行分解与重构的公式为：

其中：

和

为下一层小波包分解的结果；

为上一层的小波分解的结果；j为尺度系数；l为位置系数；n为频率；k为变量；h和g分别为正交共轭低通和高通滤波器；

其中：p和q为小波包重构的低通和高通共轭滤波器系数。

步骤3：在确定所述压力脉动信号测试采样频率fs的基础上，由奈奎斯特采样定理确定最高分析频率为f＝fs/2，划分子频带，每个小波包的频率带宽为d＝f/2^4。采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点分解系数求解能量。

小波包分解后各频段能量用下式计算：

式中：i为小波分解层数；k为变量；N为采样信号的长度；C_i,k为信号在小波域用小波包分解得出的系数。

步骤4：根据步骤3所述的能量值，选择各监测点的能量值最大的子频带进行功率谱分析。其中，功率谱为：

式中：f(t)为时域信号；F(ω)为经傅里叶变换的频域信号；P(ω)为FFT功率谱；t为时间(μs)；ω为频率；e为频率ω处的能量比；j＝1,2,…,N。

在步骤2的基础上采用步骤3的方法求解小波包分解后各频段能量值，结果如图3所示。在步骤3求解出各子频带能量值基础上，选择各监测点的能量值最大的子频带并采用步骤4的方法进行功率谱分析，分析结果如图4所示。

基于能量特征对立式轴流泵装置出水流道的监测点进行了能量值和功率谱的分析，不同工况时各监测点在子频带(0～31.25Hz)内所具有的能量值最大，能量值主要集中于该子频带内。随流量增加，出水流道的压力总能量值呈逐渐减小趋势。相同工况时，同一个子频带内不同监测点的能量值具有明显差异。各工况时，出水流道水平两监测点的能量占比差值较小，差值均在1％以内；出水流道顶端和底端的两监测点的能量占比差值相对较大，均超过2％。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在出水流道管壁径向统一平面间隔设置若干压力传感器，采集压力数据，形成压力脉动信号；

步骤2：对所述压力脉动信号进行小波包方法分析，通过高、低通滤波器对所述压力脉动信号的高频和低频部分分别进行分解与重构，自适应选择相应频带，并与信号频谱相匹配；

步骤3：在确定所述压力脉动信号测试采样频率fs的基础上，划分子频带，采用母小波将信号分解到指定层数，再对各节点分解系数求解能量；

步骤4：根据步骤3所述的能量值，选择各监测点的能量值最大的子频带进行功率谱分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，在步骤1之前确定泵装置的扬程与流量，所述扬程与流量可预先直接设定或者分别通过差压变送器与电磁流量计测量取得。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤1中的压力传感器个数为2个或3个或4个，若干个所述压力传感器均匀间隔设置于直管式出水流道的内管壁上，当所述压力传感器个数为2个时，两所述压力传感器之间的夹角为180度；当所述压力传感器个数为3个时，相邻两个压力传感器之间的夹角为120度；当所述压力传感器个数为4个时，相邻两个压力传感器之间的夹角为90度。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤1中数据采集时的采样频率为信号最高频率的5～10倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤2中的通过高、低通滤波器对压力脉动信号高频和低频部分分别进行分解与重构的公式为：

其中：

和

为下一层小波包分解的结果；

为上一层的小波分解的结果；j为尺度系数；l为位置系数；n为频率；k为变量；h和g分别为正交共轭低通和高通滤波器；

其中：p和q为小波包重构的低通和高通共轭滤波器系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤3中由奈奎斯特采样定理确定最高分析频率为f＝fs/2，每个小波包的频率带宽为d＝f/2^4。

7.根据权利要求6所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤3中小波包分解后各频段能量用下式计算：

式中：i为小波分解层数；k为变量；N为采样信号的长度；C_i,k为信号在小波域用小波包分解得出的系数。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的出水流道脉动分析方法，其特征在于，所述步骤4中功率谱为：

式中：f(t)为时域信号；F(ω)为经傅里叶变换的频域信号；P(ω)为FFT功率谱；t为时间；ω为频率；e为频率ω处的能量比；j＝1,2,…,N。

Images