一种压缩机管道脉动测试方法

摘要

本发明涉及一种压缩机管道脉动测试方法，包括以下步骤：1)连接压缩机管道测试系统；2)开启计算机，在测试软件中输入压力传感器灵敏度，确保良好的信噪比，保证采样时间；3)保持压缩机不运转，在管道系统上另加设一个外噪声源，运用双负载法或双声源法创造两个不同的测试状态；4)将不同测试状态下的两组脉动压力数据代入散射矩阵关系式(1)中，得到散射矩阵S；5)将散射矩阵S的元素S11、S12、S21、S22代回到原矩阵方程(2)中，得到压缩机的源特性向量ps。本发明操作简单，易于实现，响应速度快，能耗低，并可得到精确的压缩机的源特性向量，整体的描述了压缩机的管道脉动情况，为技术人员对脉动压力的控制提供了有效的依据。

权利要求

1.一种压缩机管道脉动测试方法，包括以下步骤：S1、在压缩机(10)进、出口两侧的管道(101)上分别选择两个端口，共四个端口，在所述四个端口处对应安装连接四个压力传感器(100)，所述压力传感器(100)的输出端通过导线与放大器(20)连接，所述放大器(20)的输出端通过信号线与数据采集仪电连接，所述数据采集仪和数据分析仪通过信号线电连接，所述数据分析仪与计算机(40)相连接；

S2、启动所述数据采集仪、数据分析仪和计算机(40)，在计算机(40)中输入设定压力传感器灵敏度；

S3、保持压缩机(10)不运转，在压缩机的管道系统上另加设一个外噪声源(19)，运用双声源法或双负载法创造两个不同的测试状态，接着使用数据采集仪(30)采集分别在两个不相关的测试状态下的四个端口处的脉动压力信号；

S4、数据分析仪则对采集到的脉动压力信号进行处理，所述处理过程为：采用傅立叶变换将采集的时域信号转换为频域信号，即可得到压力信号；

S5、分别将压缩机进、出口四个端口处的声压即压力信号代入(1)式中，其中上标‘′’表示其中一个测试状态，上标‘″’表示另一个测试状态，角标‘i’和‘o’分别表示压缩机进口和压缩机出口，角标‘+’和‘-’分别表示入射压力波和反射压力波，p为声压，得到散射元素为S11、S12、S21、S22的散射矩阵S，

S6、建立参考信号与(1)式中每一个状态向量分量的传递函数，所述传递函数是在零初始条件下，线性系统响应量的拉普拉斯变换与激励量的拉普拉斯变换之比；

对(1)式左右同时除以参考信号，并取它们的自谱和互谱，得到(2)式：Hy＝SHx  (2)

上式中：

其中，Hr·x是从参考信号(r)到状态向量分量(x)之间的传递函数；若矩阵Hx的逆阵存在，则可以得到(3)式中的散射矩阵S：

则散射矩阵S的各个分量如下所示：

其中：

S7、去掉外噪声源，仅在压缩机运转的情况下，测量压缩机进、出口四个端口处的脉动压力信号，测量所得值为pi1、po1、pi2、po2，并提出如下矩阵：

(6)式中： 分别是出口和入口处的反射系数；所述反射系数可以通过下式得到：

结合(6)式及关系式 可以得到下式(7)：ps＝Cp  (7)

或者：

(8)式中：C＝(E-SR)(E+R)-1，E为单位矩阵，C矩阵中的各个参数如下：C11＝(1-RoS11)(1+Ro)-1  (8-1)C12＝-S12Ri(1+Ri)-1  (8-2)C21＝-S21Ro(1+Ro)-1  (8-3)C22＝(1-RiS22)(1+Ri)-1  (8-4)将散射矩阵的元素S11、S12、S21、S22和测量所得值为pi1、po1、pi2、po2代入到(8)式中，即可得到压缩机的源特性向量ps即 和

2.根据权利要求书1所述的一种压缩机管道脉动测试方法，其特征在于：所述压力传感器(100)均安装在基座上，所述基座焊接在管壁上，且测试时压力传感器(100)与管内壁保持一致。

3.根据权利要求书1所述的一种压缩机管道脉动测试方法，其特征在于：所述压力传感器(100)为高强度不锈钢材质。

说明书

一种压缩机管道脉动测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于振动与噪声传递测试方法领域，具体涉及一种压缩机管道脉动测试方法。

背景技术

[0002] 往复式压缩机和离心泵均为工艺装置和辅助机械中重要的机械设备。往复式压缩机的工作特点是活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管路内的气体参数，压力、速度、振动、噪声等都随时变化；离心泵的工作原理是在启动之前，泵内灌满液体，启动后，原动机通过泵轴带动叶轮旋转，旋转叶轮中的叶片驱使液体一起旋转，因而产生离心力，在离心力的作用下，液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，并流经蜗壳送入排出管，液体从叶轮获得能量，使势能和动能均增加，相应的管路内的液体参数，压力、速度、振动、噪声等也都随时变化，形成湍流现象。

[0003] 脉动压力即压力脉动，它就是压力作用于被作用对象上并不均匀，在某个部位有较集中的或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。压力脉动不仅存在于气体中，而且存在液体运动中，因为压力脉动是造成压缩机和离心泵出口管道产生振动和破坏的主要源头，本领域技术人员对其的检测和控制，势在必行。现行技术主要有设计脉动抑制装置，减小由气流脉动产生的压力不均匀度。中国专利文献CN 101264798A公开了一种三维空腔共振脉动压力及气动噪声抑制装置，该发明提供了一种流动控制技术领域的三维空腔共振脉动压力及气动噪声抑制装置，包括：阵列式凹槽、作动簧片、压电陶瓷片、安装座、压电陶瓷专用、高压电源、动态压力传感器以及配有A/D采集卡的计算机，其可调节范围广，通过对空腔脉动压力的实时反馈，实现了对空腔三维空间的相控阵精确控制，但是该发明只能对特定凹槽位置的脉动进行测量，不能针对性地测量整个空腔范围内压力脉动的分布情况，因而不能针对性的对气动噪声进行抑制，测试过程消耗较高。中国专利文献CN 102435176A公开了一种浅水湖泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量装置和方法，该装置包括：压力传感器，导气电缆，固定支架，可移动支架，带刻度的立杆，采集卡以及稳压直流电源；其中压力传感器固定在可移动支架一端上，可移动支架的另一端通过套筒固定在固定支架上，固定支架通过底板固定在需测定的床面；在竖直方向能上下移动的带刻度的立杆底部固定在可移动支架上，压力传感器通过导气电缆分别与稳压直流电源和采集卡连接，采集卡连接到电脑，利用该发明可以精确的采集到风生波浪的脉动压力，为改善湖泊水质提供研究的基础，但是同样该现有技术均只是对特定位置的脉动压力进行测量，并不能根据个别来描述压缩机的声源特性，应用在管道上也就不能针对性的减少对管道产生的振动和破坏。

[0004] 因此，本领域技术人员极有必要提供一种操作简单，易于实现，响应速度快，能耗低，并可得到精确的压缩机的源特性向量，整体的描述压缩机的管道脉动情况，为技术人员对脉动压力的控制提供有效依据压缩机管道脉动测试方法。

发明内容

[0005] 针对上述的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单，易于实现，响应速度快，能耗低，并可得到精确的压缩机的源特性向量，整体的描述压缩机的管道脉动情况，为技术人员对脉动压力的控制提供有效依据压缩机管道脉动测试方法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

[0007] 一种压缩机管道脉动测试方法，包括以下步骤：

[0008] S1、在压缩机进、出口两侧的管道上分别选择两个端口，共四个端口，在所述四个端口处对应安装连接四个压力传感器，所述压力传感器的输出端通过导线与放大器连接，所述放大器的输出端通过信号线与数据采集仪电连接，所述数据采集仪和数据分析仪通过信号线电连接，所述数据分析仪与计算机相连接；

[0009] S2、启动所述数据采集仪、数据分析仪和计算机，在计算机中输入设定压力传感器灵敏度；

[0010] S3、保持压缩机不运转，在压缩机的管道系统上另加设一个外噪声源，运用双声源法或双负载法创造两个不同的测试状态，接着使用数据采集仪采集分别在两个不相关的测试状态下的四个端口处的脉动压力信号；

[0011] S4、数据分析仪则对采集到的脉动压力信号进行处理，所述处理过程为：采用傅立叶变换将采集的时域信号转换为频域信号，即可得到压力信号；

[0012] S5、分别将压缩机进、出口四个端口处的声压即压力信号代入(1)式中，其中上标‘′’表示其中一个测试状态，上标‘″’表示另一个测试状态，角标‘i’和‘o’分别表示压缩机进口和压缩机出口，角标‘+’和‘-’分别表示入射压力波和反射压力波，p为声压，得到散射元素为S11、S12、S21、S22的散射矩阵S，

[0013]

[0014] S6、建立参考信号与(1)式中每一个状态向量分量的传递函数，所述传递函数是在零初始条件下，线性系统响应量的拉普拉斯变换与激励量的拉普拉斯变换之比；

[0015] 对(1)式左右同时除以参考信号，并取它们的自谱和互谱，得到(2)式：

[0016] Hy＝SHx  (2)

[0017] 上式中：

[0018]

[0019]

[0020] 其中，Hr·x是从参考信号(r)到状态向量分量(x)之间的传递函数；若矩阵Hx的逆阵存在，则可以得到(3)式中的散射矩阵S：

[0021]

[0022] 则散射矩阵S的各个分量如下所示：

[0023]

[0024]

[0025]

[0026]

[0027] 其中：

[0028]

[0029] S7、去掉外噪声源，仅在压缩机运转的情况下，测量压缩机进、出口四个端口处的脉动压力信号，测量所得值为pi1、po1、pi2、po2，并提出如下矩阵：

[0030]

[0031] (6)式中： 分别是出口和入口处的反射系数；所述反射系数可以通过下式得到：

[0032]

[0033]

[0034] 结合(6)式及关系式 可以得到下式(7)：

[0035] ps＝Cp  (7)

[0036] 或者：

[0037]

[0038] (8)式中：C＝(E-SR)(E+R)-1，E为单位矩阵，C矩阵中的各个参数如下：

[0039] C11＝(1-RoS11)(1+Ro)-1  (8-1)

[0040] C12＝-S12Ri(1+Ri)-1  (8-2)

[0041] C21＝-S21Ro(1+Ro)-1  (8-3)

[0042] C22＝(1-RiS22)(1+Ri)-1  (8-4)

[0043] 将散射矩阵的元素S11、S12、S21、S22和测量所得值为pi1、po1、pi2、po2代入到(8)式中，即可得到压缩机的源特性向量ps即 和

[0044] 所述压力传感器均安装在基座上，所述基座焊接在管壁上，且测试时压力传感器与管内壁保持一致。

[0045] 所述压力传感器为高强度不锈钢材质。

[0046] 所述散射矩阵S与压缩机端口的位置无关，与试验工况、试验条件无关，是压缩机的固有特性。

[0047] 本发明的有益效果在于：

[0048] 1)、本发明提供的压缩机管道脉动测试方法，在压缩机进、出口分别选择两个端口，共四个端口，在四个端口对应安装连接四个压力传感器，压力传感器的输出端通过导线与放大器连接，放大器的输出端通过导线与配有A/D采集卡的数据分析仪连接，在数据分析仪上安装有测试软件,无论是安装或是操作均非常简单且易于实现，只需对压缩机在不运转情况下运用双负载法创造两个不相关的测试状态，测量四个端口的脉动压力信号，得到两组不相关的数据，代入公式(1)，得到散射矩阵S；然后再去掉外声源，仅在压缩机运转的情况下，测量四个端口处的脉动压力信号，代入公式(8)，得到压缩机的源特性向量ps。

[0049] 该测试方法通过对特定位置的脉动进行测量，对压缩机进出口管道的整体特性进行了描述，降低了人力物力上的消耗，具有较高的测试效率，为管路脉动分析提供了可靠的依据，对管路维护工作具有较大的指导意义。

[0050] 2)、对于适用于四端网络模型的压缩机，声学双端口源可用进出口端的状态参数以及它们之间的线性关系来描述，要么用声压和质点振速，要么用声压向两个方向传递的分量。前者采用传递矩阵法，后者采用散射矩阵法.如果压缩机内的流道显著地小于声波波长，则压缩机便可以看成是一个点声源或是一个面声源，这样传递矩阵的方法便能够提供一个准确地描述源特性的方法。相反，源压和质点速度需要一系列的值，这些值随描绘压缩机体积的物理模型而定，或者更具体一点，是与压缩机端口的位置有关，这样传递矩阵法便不能很好地得到源特性向量的大小，从而描述源特性，而本发明采用的散射矩阵与压缩机端口的位置无关，故能很好地用S和ps描述压缩机的源特性。

[0051] 3)、本发明在压缩机不运转的情况下可以采用双声源法或双负载法制造两种不同的状态，对于双声源法可以是通过改变声源的位置而保持测试系统中的其它部分不变，也可以是保持系统以及声源的位置均不变，但改变声源发出信号的强弱；双负载法通过使用不同长度的直管道来加以改变，使用此两种方法不要求管道下游为无反射端，测量较为准确，为得到精确的压缩机源特性提供了重要的保证。

附图说明

[0052] 图1为压缩机管道脉动测试系统图。

[0053] 图2为四端网络法测量原理图。

[0054] 图3为离心泵管道脉动测试系统布置图。

[0055] 图4为离心泵管道脉动测试系统加入外噪声源的测试图。

具体实施方式

[0056] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。需要指出的是，除本发明中记载的公式以外，脉动压力信号的傅里叶变换，参考信号以及传递函数选取和计算均可以参见现有技术。

[0057] 首先应当说明的是，对于压缩机这样的进、出口端之间有声学耦合且两端口的状态均为时变的流体机械，可以适用于四端网络模型，由于散射矩阵S与压缩机端口的位置无关，只与压缩机有关，故能很好地用S和ps描述压缩机的特性，因此本发明采用散射矩阵的方法来测试。

[0058] 并且，为了方便起见，本发明实施例中试验均采用了双声源法创造两种不同的状态，测量散射矩阵S，测试过程中测试系统其它部分保持不变，只是改变声源强度：实验利用pulse系统给声源施加一个电信号，可以在pulse系统中改变所施加信号的频率或幅值从而改变脉动压力信号的强度。

[0059] 实施例1

[0060] 如图1所示，图例为压缩机管道脉动测试系统图。

[0061] 根据图1所示，按图1完成连接，测试压缩机10进出口的压力脉动信号(也即脉动压力信号)，在压缩机10进出口的管道101上选择四个端口，在四个端口对应安装连接四个压力传感器100，压力传感器100均安装在基座上，基座焊接在管壁上，且测试时高强度不锈钢材质的压力传感器100与管内壁保持一致，且压力传感器100的输出端通过导线连接到放大器20上，将收集到的电信号输送至放大器20，放大器20的输出端通过导线连接在包括数据采集仪和数据分析仪的前端30上，前端30连接在计算机40上将分析得到的脉动声压级信号数据传输至计算机40，在计算机40上安装有测试软件。

[0062] 本实施例的测试过程具体如下：

[0063] ①启动计算机40，打开测试软件，输入压力传感器灵敏度，确保良好的信噪比，保证采样时间；

[0064] ②保持压缩机10不运转，在管道101系统上另加一个外噪声源19，本实施例可选择喇叭作为外噪声源19，系统其它部分保持不变，利用双声源法——保持系统以及声源的位置均不变，改变外噪声源声信号的强度，使用数据采集仪采集分别在两种不同状态下四个端口处对应压力传感器100的脉动压力信号；

[0065] ③前端30中的数据分析仪对采集到四个端口处的脉动信号进行进行频谱分析，采用傅立叶变换将采集的时域信号转换为频域信号，即可得到脉动压力信号；

[0066] ④计算机上测试软件将两种不同测试状态下得到的脉动声压级信号数据，分别代入(1)式中，其中上标“′”表示测试状态1，上标“″”表示测试状态2，角标‘i’、‘o’分别表示压缩机进口、出口，角标‘+’和‘-’分别表示入射波和反射波，p为声压，得到由散射元素S11、S12、S21、S22构成的散射矩阵S，

[0067]

[0068] ⑤接着，去掉外噪声源19，仅在压缩机10运转的情况下，测量进出口四个端口的脉动压力 并代入(8)式中，即可得到压缩机10源特性向量ps(即 和 )：

[0069]

[0070] 该测试方法是根据四端网络模型来测量压缩机流噪声源特性与外接管道系统声学参数之间的关系的一种方法，利用该模型(如图2所示)，可以在每个频率处用一个2×2的散射矩阵S和源特性向量ps对压缩机10的声源进行描述，该测试方法具有通用性。

[0071] 实施例2

[0072] 作为本发明的进一步扩展，本发明中记载的方法还可以应用到离心泵上。如图2所示，图示为离心泵管路测试脉动系统布置图，图中实心箭头为水流方向。

[0073] 本实施例中，运用相同的测试方法，依据图3连接管路，为了能够真实地模拟海水管道系统的动态特性，实验室建立了一整套闭式循环管道系统，包括第一水箱14和第二水箱15，在离心泵11与第一水箱14之间安装的第一消声器13，在离心泵11与第二水箱15之间安装的第二消声器12、在整个闭式循环管道系统的4个分支管道101上靠近第一水箱14和第二水箱15的两侧对应安装四个阀门17，该系统上在电磁流量计18的下游与第二水箱15的上游之间还设有一个流量调节阀16。在实验中利用压力脉动传感器监测待测四个端口的压力脉动，用变频器调整离心泵11的转速并由转速传感器测量转速，流量调节采用流量调节阀16并由电磁流量计18测量调节该系统的流量，进口管段由于入口会出现负压，采用一真空压力表测试进口压力；出口采用一精密压力表测量出口压力。实验所用的测量仪器如表1所示。

[0074] 表1实验测量仪器

[0075]

[0076] 本实施例的测试过程具体如下：

[0077] ①启动计算机40，打开测试软件，输入压力传感器灵敏度，确保良好的信噪比，保证采样时间；

[0078] ②保持离心泵11不运转，在管道系统上另加一个外噪声源19，本例中，采用ULF-1型超低频声发射系统(换能器)作为外噪声源19，如图4所示(图4未画出全部的管道系统)。系统其它部分保持不变，利用双声源法——保持系统以及声源的位置均不变，通过改变pulse系统对外噪声源19所施加信号的频率来改变声信号的强度，使用前端30中的数据采集仪采集四个端口处对应压力传感器100的脉动信号；

[0079] ③压力传感器100收集到信号后，压力传感器100将收集到的电信号输送至放大器20，放大器20再将信号通过导线传输给3560D/E数据采集仪，再通过B&K Pulse数据分析仪对采集的脉动信号进行进行频谱分析，采用傅立叶变换将采集的时域信号转换为频域信号，即可得到脉动压力信号。

[0080] ④计算机上测试软件将两种不同测试状态下得到的脉动声压级信号数据，分别代入(1)式中，得到散射矩阵S，也即S11、S12、S21、S22，

[0081]

[0082] ⑤接着，计算机上测试软件再将散射矩阵S11、S12、S21、S22代回到原矩阵方程(2)式中，去掉外噪声源19，仅在离心泵11运转的情况下，测量进出口四个端口的脉动压力并代入(8)式中，即可得到离心泵的源特性向量ps( 和 )。

[0083]