摘要：由于閥內流體流動強烈的非定常性而影響閥門工作的穩(wěn)定性，甚至引起閥門的振動，危及設備的安全運行。以調節(jié)閥為研究對象，利用微小型高頻動態(tài)壓力傳感器及其采集系統，在閥座喉部、閥碟頭部等閥體內各關鍵部位設置測點，進行多種工況和多個方位的試驗研究，并利用頻譜分析方法對調節(jié)閥桿振動或不穩(wěn)定工況的流場動態(tài)壓力信號進行采集、處理和分析，深入研究閥內的復雜流動特性及其對閥門工作穩(wěn)定性的影響，得出相應結論。 關鍵詞：微傳感器；調節(jié)閥；試驗 調節(jié)閥的流量特性研究較多，其工作的穩(wěn)定性（如是否出現振動、噪聲過大等）研究也十分必要。該文利用試驗研究閥內流場對閥門工作穩(wěn)要定性的影響。 1、調節(jié)閥試驗系統 調節(jié)閥試驗是在多種壓比和相對升程工況下進行的。 壓比定義為： 式中：為閥后壓力；為閥前壓力。 相對升程定義為： 式中為調節(jié)閥的閥桿提升高度；為閥碟-閥座的配合直徑。 為了全面認識閥體內復雜結構形成的復雜流動特性，在閥腔進口、閥腔頂端、閥座喉部、閥座漸擴段、閥碟頭部等多個關鍵部位設置了動態(tài)壓力測點。通過對上述諸測點的動態(tài)壓力變化和閥桿振動特性測試及相應的結果，進行各點測量數據的處理和結果的關聯分析，可以得出在不同工作條件下閥內流動特性。 試驗系統如圖1所示，所用工質為空氣。為使進口氣流均勻性較好，由壓氣機高壓氣源來的空氣經過擴壓段、穩(wěn)壓筒、收斂段后進入調節(jié)閥，氣流經閥碟和閥座間的環(huán)形通道后流入閥座，經閥座漸擴段擴壓后進入排氣管道，將排氣管道引入地下排氣口后排出室外，以降低噪音。氣流進口和出口方向成90°。 試驗中，氣體流量、靜壓、溫度設有專門的測量管段和儀器。 試驗系統的不確定度如下：動態(tài)壓力為0.1%，靜態(tài)壓力小于1%，流量為1.5%。 2、動態(tài)壓力傳感器及數據采集系統 2.1、微小型動態(tài)壓力傳感器 了盡可能減少接觸測量對調節(jié)閥內流場的干擾，采用了美國Kulite傳感器公司生產的壓阻式微小型動態(tài)壓力傳感器。該傳感器集成硅敏感元件，并采用光刻法制成很小尺寸，從而使傳感器具有很高的固有頻率，低遲滯和優(yōu)良的熱性能和環(huán)境性能，優(yōu)越的靜態(tài)和動態(tài)性能，并且牢固耐用。試驗選用的是XCQ-062系列，傳感器尺寸為：直徑Φ1.6mm，長度12mm，工作溫度范圍為-55～204℃，固有頻率為330～500kHz，測量精度為滿量程的0.1%，被測介質為非導電性、無腐蝕性的液體和氣體。 由于傳感器過于微小，試驗時設計和制造了專門的緊固裝置，以便于安裝和拆卸，如圖2所示。使用線切割技術，套筒壁面上有螺釘以緊固傳感器。緊固裝置安裝在測試采集系統的信號線接頭裝置中，安全可靠。 壓力傳感器的校準方法一般包括靜態(tài)校準和動態(tài)校準，且先進行靜態(tài)校準。但要給出一些標準的動態(tài)壓力是比較困難的，所以目前一般仍采用靜態(tài)標定。經驗表明，只要整個測壓系統的響應頻率足夠高，采用靜態(tài)標定過的測壓系統來測量動態(tài)壓力，結果是有足夠精度的。文中試驗采用了測壓范圍為0～0.35MPa和0～0.17MPa兩種傳感器，滿量程輸出為100mV。兩種微傳感器的靜態(tài)標定結果如圖3所示。 2.2、高頻動態(tài)數據采集系統 高頻動態(tài)采集和分析系統可以進行多通道并行動態(tài)采集，具有高速、大容量和瞬態(tài)數字化的優(yōu)點，是集測量、分析、結果輸出為一體的高性能綜合性測量系統。由于每個通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會因為通道擴展而使最高采樣率下降或存儲深度下降。它的基本工作方式是按采集-處理-再采集-再處理的順序進行工作。系統最高采樣率為1.25Msps、采樣精度為12bit ，能夠及時響應閥內非定常流動的參數及其變化。 3、動態(tài)信號處理 調節(jié)閥內的流動具有典型的非定常特性，動態(tài)測量能夠準確及時地確定其內部流場的瞬時值以及它隨時間而變化的量值。動態(tài)測試中數據處理分析內容廣泛，其中頻譜分析和波形分析就是動態(tài)數據處理中最重要和最基本的方法。頻譜分析和波形分析既相互獨立又密切相關，它們之間有明顯的區(qū)別通過傅立葉變換可以相互轉換。頻譜和波形分析與隨機數據處理方法已經成為信號分析中最常用且有效的方法，文中試驗就采用了這些方法。 頻譜分析系統由計算機、信號放大器、濾波器、數據采集器、分析軟件、顯示器和打印機等構成。系統的工作原理如下：物體在外力的沖擊作用后作自由振動，其振動波形由各階自由振動的波形疊加而成。鑒于此，通過計算機采集系統，將零件在外力沖擊作用后的振動特性轉換為數字信號，對其進行頻譜分析，獲得振動信號的各階諧波頻率，即可得到零件的各階自振頻率。 在非定常氣流的激發(fā)下，閥門將產生相應的機械振動。由于調節(jié)閥振動形式主要表現為閥桿-閥碟的振動，所以在試驗中利用頻譜分析和相關分析進行閥桿-閥碟振動信號的處理。 4、結論 將試驗數據處理結果和理論分析結合起來進行研究，可以得出以下結論： （1）研制和使用了整套研究調節(jié)閥工作穩(wěn)定性的試驗系統。試驗中，將微傳感器直接插入閥座喉部、閥碟頭部等閥體內的各關鍵部位，利用高頻動態(tài)采集系統進行多工況范圍和多方位的測量。對閥內高頻動態(tài)壓力試驗數據，采用譜分析和相關分析方法進行數據處理和分析，方法簡便、實用、可靠。 （2）調節(jié)閥的振動具有復雜的成因及形式，但是大多數振動都與流場特性密不可分，閥的振動與流型發(fā)生變化有關。流場強烈脈動或振蕩產生很大激振力，可能引起閥強迫振動；其脈動頻率如果與閥的低階固有頻率相同時，就可能引起大幅共振。 （3）調節(jié)閥流場的脈動壓力幅值大，不一定會使閥門產生共振，但一定會引起調節(jié)閥的不穩(wěn)定。適當改變閥桿-閥碟固有頻率是最便利、最有效的改善調節(jié)閥不穩(wěn)定狀態(tài)的途徑。 （4）雖然閥座擴散角的增大可以提高調節(jié)閥的通流能力，但其過大（超過5°）會導致氣流在閥座漸擴段壁面的分離嚴重，增加流動損失，同時使流場脈動顯著增大，增加閥門的不穩(wěn)定性。