CN114739470B - 基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，首先确定六个高频动态压力信号的测量位置，然后根据管道内径、油液介质的运动粘度、被测高速开关阀的频率、波的剪切数与流体的有效密度和有效粘度系数关系、油液介质的密度、有效体积模量、前三个动态压力传感器分别与驱动液压泵之间的距离、后三个动态压力传感器分别与高速开关阀之间的距离、测得的六个高频动态压力信号以及终端反射系数与压力和管道特征阻抗的关系计算高速开关阀的阻抗，根据高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号计算高速开关阀的压力，最终通过高速开关阀的阻抗和压力计算出流量脉动，并将计算内容编入Labview实现实时显示；本发明可实现对流量脉动的实时测量。

Description

基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其是基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法。

背景技术

随着人们对工作环境的要求越来越高，更多的人开始关注噪声，因为人们已经把噪声作为选择工作环境的重要指标之一。众多学者在对噪声研究时发现，流体噪声中流量脉动被认为是产生噪声的主要原因之一，由于当前的流量计无法检测高频率的瞬态流量，如何精确的测量高频流量脉动成为了研究流量脉动对噪声影响的前提，也为更好的了解流体动力***中发生的物理现象，建立更好更准确的模型提供了研究意义。

随着对流量脉动的重视，检测流量脉动的方法也产生了许多，例如，“安鲁法”、“塞拉格法”、“戴维森和泰勒方法”、“高阻抗管法”、“***法”以及“二次源法”等都是利用阻抗将压力脉动与流量脉动联系起来，其中，使用三个传感器测得三个压力信号，以此利用压力信号间接测量出流量脉动。如果对高速开关阀流量脉动的测量仍然只测量三个动态压力信号，这样获得的流量脉动是驱动液压泵和高速开关阀产生的综合脉动，无法获到高速开关阀单独产生的流量脉动。

发明内容

本发明提出基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，不仅可以降低驱动液压泵对高速开关阀流量脉动的影响，还可以实现对流量脉动的实时测量。

本发明采用以下技术方案。

基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，所述高速开关阀设于管道处，以液压泵驱动，以对管道处六个动态压力传感器采集的高频动态压力信号的运算来实时测量高速开关阀流量脉动，所述六个高频动态压力信号分别为驱动液压泵与高速开关阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃采集的三个高频动态压力信号，以及高速开关阀与加载阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆采集的另外三个高频动态压力信号；

所述实时测量高速开关阀流量脉动的运算过程包括以下步骤；

步骤一：根据管道内径、油液介质的运动粘度以及被测高速开关阀的频率对管道中波的剪切数进行求解计算；

步骤二：根据步骤一求解的波的剪切数以及波的剪切数与由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化建立函数关系对管道黏性影响系数进行求解计算；

步骤三：根据油液介质的密度、有效体积模量以及步骤二计算管道黏性影响系数对管道中波的传递系数进行计算求解；

步骤四：根据油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及步骤二计算的管道黏性影响系数对管道的特征阻抗进行计算求解；

步骤五：采集驱动液压泵与高速开关阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与驱动液压泵之间的距离数据、步骤四计算的管道的特征阻抗数据、终端反射系数与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第一解；

采集高速开关阀与负载阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与高速开关阀之间的距离数据、步骤四计算的管道的特性阻抗数据、终端反射系数对与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第二解；

然后通过对第一解、第二解做差的方法计算出高速开关阀的阻抗。

步骤六：根据高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号，通过求取平均值的方式对高速开关阀的压力信号进行求解；

步骤七：根据步骤五求解的高速开关阀阻抗以及步骤六求解的高速开关阀压力对高速开关阀流量脉动进行求解，并将计算结果以图像的形式实时显示出来。

步骤六中，高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号分别是动态压力传感器脉动PT₃、PT₄测得的压力脉动P₃、P₄；

通过选取高速开关阀两侧相邻的两个压力信号对高速开关阀压力脉动P_G进行计算，计算方法如下：

步骤五、六、七中，利用六个动态压力传感器实时测得的高频动态压力推导出高速开关阀的阻抗Z_G以及高速开关阀的压力脉动P_G，然后结合下列公式推导出高速开关阀的实时流量脉动变化：

其中，P_G高速开关阀压力脉动，Z_G高速开关阀的阻抗。

对不含高速开关阀的终端阻抗Z_T，含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T以及高速开关阀的终端阻抗Z_G的计算方法如下：

根据已知的距离l′，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离，n＝1、2、3，l′＝x₃；

根据已知的距离l，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出不包含高速开关阀的终端阻抗Z_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与高速开关阀的距离，n＝4、5、6，p_n表示测得的六个高频动态压力信号，n＝4、5、6；l＝x₆。

步骤四中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道的特征阻抗Z₀进行计算，计算过程如下：

其中，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，A是管道的截面积，ξ管道黏性影响系数。

步骤三中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道中波的传递系数γ进行计算，计算过程如下：

其中，j²＝-1，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，ω频率。

步骤二中，根据波的剪切数、有效密度和有效粘度的变化对管道黏性影响系数ξ进行计算，计算过程如下；

根据已知的动力黏度、管道直径以及频率，通过下面公式求解波的剪切数N_S；

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

根据求解出N_S的不同数值数值范围，从下面两种计算方式中选择一种计算方法求解K₁、K₂；

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S 公式十二；

当N_S小于8用以下公式：

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化。

步骤七中，将所有的推导过程在Labview中编译成计算程序，所述计算程序通过不断获得的六个高频动态压力信号，实时更新高速开关阀的流量脉动的变化情况并以图像的形式显示出来。

所述方法计算时忽略管道中的纵向应力，其具体实施包括以下步骤；

S10、确定管道内测量油液介质的密度ρ、有效体积模量B_eff、动力黏度μ；这些是油液介质的基础参数，有效体积模量B_eff也可以利用下面公式计算：

其中，B_T是流体的等熵切线体模量，是管道内径与外径的平均值，δ管道的壁厚，υ管壁的泊松比，E管道的杨氏模量，c₁是一个因子，是管道中纵向应力和应变的函数；

S20、确定动态压力传感器与液压泵、高速开关阀以及动态传感器之间的距离；设备启动前，测绘出每个动态传感器与液压泵泵源以及高速开关阀的距离，并测绘出每个动态传感器之间的距离，将相关的数据输入本方法所用的运算***中，作为计算流量脉动的已知条件；

S30、启动设备，空载20-30分钟，期间使被测高速开关阀全开，对此时测量的任何数据不作处理，同时把冷却器的控制温度调制好，使冷却器控制的温度与温度传感器测得的温度差不超过2摄氏度，使***正常稳定的运行，同时清除***中可能存在的气体，避免测量***中存在的气体对流量脉动计算结果造成影响；

S40、确定高速开关阀的频率ω；获得压力脉动P；获得平均压力P_m，流量脉动的运算***直接与高速开关阀的控制***关联，通过实际工况的需求获得不同时刻的频率ω，通过动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆测量到压力脉动P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆，这些压力脉动信号通过采集***对信号放大，将P₁、P₂、P₃与P₄、P₅、P₆数据分成两组信号并按照一定的时序传输给本方法使用的信号处理***用于流量脉动的计算；利用平均压力传感器获得平均压力P_m，通过信号采集***放大传输给信号处理***用于判断压力脉动测量数据是否合理；

S50、判断压力脉动与平均压力之差是否小于平均压力的50％，由此判断测量的压力数据是否合理，在进行流量脉动计算之前规避掉不合理的实验数据，提升实验效率，保证结果的准确性；

S60、重新校正压力传感器，当在S50中判断压力脉动与平均压力之差大于平均压力的50％时，说明传感器出现问题，需要进行重新校正，或者需要更换新的传感器，校准时将6个动态压力传感器安装在一个公共阀块中，以便它们测量相同的压力脉动，使压力传感器处于相同的轴向位置，并且间距不超过20毫米；

S70、利用压力传感器测得的压力分别计算出包含阀的终端阻抗与不包含阀的终端阻抗，当在S50中判断压力脉动与平均压力之差小于平均压力的50％时，说明传感器工况正常，其测得数据可以继续用于进行计算，利用已知参数以及动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃测量的数据对包含阀的终端阻抗Z′_T进行计算；

其具体步骤如下：

步骤1：求解N_S

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

步骤2：判断N_S的数值

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化；

当N_S小于8用以下公式：

步骤3：求解管道黏性影响系数ξ

步骤4：求解波的传递系数γ

j²＝-1

步骤5：求解管道的特征阻抗Z₀

步骤6：求解含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T

其中x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离(n＝1、2、3)，l′＝x₃

利用已知参数以及动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆测量的数据对不包含阀的终端阻抗Z_T进行计算，其具体计算过程如下：

其中x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与泵的距离(n＝4、5、6)，l＝x₆；

S80、计算出高速开关阀的阻抗Z_G，利用S70计算出的包含阀的终端阻抗Z′_T以及不包含阀的终端阻抗Z_T，通过下面公式计算出高速开关阀的阻抗Z_G；

Z_G＝Z′_T-Z_T；

S90、利用测量的压力脉动计算出高速开关阀的压力脉动，动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆分别测得的压力脉动的数据只表示其当前位置的压力变化，由于PT₃和PT₄分别在高速开关阀的两侧且离高速开关阀最近，所以取PT₃和PT₄测的平均值作为高速开关阀处的压力脉动，其计算公式如下：

S100、利用已求解的高速开关阀阻抗与压力计算出高速开关阀的流量脉动，通过流体的连续性方程以及作用在流体上力的方程，得到以下公式：

其中，Z表示阻抗，P表示压力脉动，Q表示流量脉动；

利用上述公式，将前面获得的高速开关阀的阻抗Z_G和高速开关阀处的压力脉动P_G代入上式，最终解出高速开关阀产生的流量脉动；

S110、输出结果，将S100求解出的流量脉动，以图像的形式显示出来。

本发明提出使用六个动态压力传感器获得六个高频动态压力信号的测量计算方案，通过增加的三个压力信号分离出高速开关阀的阻抗，进而推导出高速开关阀的流量脉动；因此基于高频动态压力信号的高速开关阀流量脉动实时测量方法不仅可以降低驱动液压泵对高速开关阀流量脉动的影响，还可以实现对流量脉动的实时测量，为小流量阀类元件流量脉动的研究提供了借鉴意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明实施案例提供的基于高频动态压力信号的高速开关阀流量脉动实时测量方法的流程示意图；

附图2是本发明实施案例提供的基于高频动态压力信号的高速开关阀流量脉动实时测量方法的阻抗示意图；

图中；

1.泵源流量(液压泵)；2.泵源阻抗Z_S；3.动态压力传感器PT₁；4.动态压力传感器PT₂；5.动态压力传感器PT₃；6.高速开关阀阻抗Z_G(高速开关阀)；7.动态压力传感器PT₄；8.动态压力传感器PT₅；9.动态压力传感器PT₆；10.终端阻抗Z_T；11.油箱；12.信息采集模块；13.信息处理模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图所示，基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，所述高速开关阀设于管道处，以液压泵驱动，以对管道处六个动态压力传感器采集的高频动态压力信号的运算来实时测量高速开关阀流量脉动，所述六个高频动态压力信号分别为驱动液压泵与高速开关阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃采集的三个高频动态压力信号，以及高速开关阀与加载阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆采集的另外三个高频动态压力信号；

所述实时测量高速开关阀流量脉动的运算过程包括以下步骤；

步骤一：根据管道内径、油液介质的运动粘度以及被测高速开关阀的频率对管道中波的剪切数进行求解计算；

步骤二：根据步骤一求解的波的剪切数以及波的剪切数与由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化建立函数关系对管道黏性影响系数进行求解计算；

步骤三：根据油液介质的密度、有效体积模量以及步骤二计算管道黏性影响系数对管道中波的传递系数进行计算求解；

步骤四：根据油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及步骤二计算的管道黏性影响系数对管道的特征阻抗进行计算求解；

步骤五：采集驱动液压泵与高速开关阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与驱动液压泵之间的距离数据、步骤四计算的管道的特征阻抗数据、终端反射系数与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第一解；

采集高速开关阀与负载阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与高速开关阀之间的距离数据、步骤四计算的管道的特性阻抗数据、终端反射系数对与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第二解；

然后通过对第一解、第二解做差的方法计算出高速开关阀的阻抗。

步骤六：根据高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号，通过求取平均值的方式对高速开关阀的压力信号进行求解；

步骤七：根据步骤五求解的高速开关阀阻抗以及步骤六求解的高速开关阀压力对高速开关阀流量脉动进行求解，并将计算结果以图像的形式实时显示出来。

步骤六中，高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号分别是动态压力传感器脉动PT₃、PT₄测得的压力脉动P₃、P₄；

通过选取高速开关阀两侧相邻的两个压力信号对高速开关阀压力脉动P_G进行计算，计算方法如下：

步骤五、六、七中，利用六个动态压力传感器实时测得的高频动态压力推导出高速开关阀的阻抗Z_G以及高速开关阀的压力脉动P_G，然后结合下列公式推导出高速开关阀的实时流量脉动变化：

其中，P_G高速开关阀压力脉动，Z_G高速开关阀的阻抗。

对不含高速开关阀的终端阻抗Z_T，含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T以及高速开关阀的终端阻抗Z_G的计算方法如下：

根据已知的距离l′，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离，n＝1、2、3，l′＝x₃；

根据已知的距离l，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出不包含高速开关阀的终端阻抗Z_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与高速开关阀的距离，n＝4、5、6，p_n表示测得的六个高频动态压力信号，n＝4、5、6；l＝x₆。

步骤四中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道的特征阻抗Z₀进行计算，计算过程如下：

其中，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，A是管道的截面积，ξ管道黏性影响系数。

步骤三中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道中波的传递系数γ进行计算，计算过程如下：

其中，j²＝-1，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，ω频率。

步骤二中，根据波的剪切数、有效密度和有效粘度的变化对管道黏性影响系数ξ进行计算，计算过程如下；

根据已知的动力黏度、管道直径以及频率，通过下面公式求解波的剪切数N_S；

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

根据求解出N_S的不同数值数值范围，从下面两种计算方式中选择一种计算方法求解K₁、K₂；

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S公式十二；

当N_S小于8用以下公式：

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化。

步骤七中，将所有的推导过程在Labview中编译成计算程序，所述计算程序通过不断获得的六个高频动态压力信号，实时更新高速开关阀的流量脉动的变化情况并以图像的形式显示出来。

所述方法计算时忽略管道中的纵向应力，其具体实施包括以下步骤；

S10、确定管道内测量油液介质的密度ρ、有效体积模量B_eff、动力黏度μ；这些是油液介质的基础参数，有效体积模量B_eff也可以利用下面公式计算：

其中，B_T是流体的等熵切线体模量，是管道内径与外径的平均值，δ管道的壁厚，υ管壁的泊松比，E管道的杨氏模量，c₁是一个因子，是管道中纵向应力和应变的函数；

S20、确定动态压力传感器与液压泵、高速开关阀以及动态传感器之间的距离；设备启动前，测绘出每个动态传感器与液压泵泵源以及高速开关阀的距离，并测绘出每个动态传感器之间的距离，将相关的数据输入本方法所用的运算***中，作为计算流量脉动的已知条件；

S30、启动设备，空载20-30分钟，期间使被测高速开关阀全开，对此时测量的任何数据不作处理，同时把冷却器的控制温度调制好，使冷却器控制的温度与温度传感器测得的温度差不超过2摄氏度，使***正常稳定的运行，同时清除***中可能存在的气体，避免测量***中存在的气体对流量脉动计算结果造成影响；

S40、确定高速开关阀的频率ω；获得压力脉动P；获得平均压力P_m，流量脉动的运算***直接与高速开关阀的控制***关联，通过实际工况的需求获得不同时刻的频率ω，通过动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆测量到压力脉动P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆，这些压力脉动信号通过采集***对信号放大，将P₁、P₂、P₃与P₄、P₅、P₆数据分成两组信号并按照一定的时序传输给本方法使用的信号处理***用于流量脉动的计算；利用平均压力传感器获得平均压力P_m，通过信号采集***放大传输给信号处理***用于判断压力脉动测量数据是否合理；

S50、判断压力脉动与平均压力之差是否小于平均压力的50％，由此判断测量的压力数据是否合理，在进行流量脉动计算之前规避掉不合理的实验数据，提升实验效率，保证结果的准确性；

S60、重新校正压力传感器，当在S50中判断压力脉动与平均压力之差大于平均压力的50％时，说明传感器出现问题，需要进行重新校正，或者需要更换新的传感器，校准时将6个动态压力传感器安装在一个公共阀块中，以便它们测量相同的压力脉动，使压力传感器处于相同的轴向位置，并且间距不超过20毫米；

S70、利用压力传感器测得的压力分别计算出包含阀的终端阻抗与不包含阀的终端阻抗，当在S50中判断压力脉动与平均压力之差小于平均压力的50％时，说明传感器工况正常，其测得数据可以继续用于进行计算，利用已知参数以及动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃测量的数据对包含阀的终端阻抗Z′_T进行计算；

其具体步骤如下：

步骤1：求解N_S

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

步骤2：判断N_S的数值

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化；

当N_S小于8用以下公式：

步骤3：求解管道黏性影响系数ξ

步骤4：求解波的传递系数γ

j²＝-1

步骤5：求解管道的特征阻抗Z₀

步骤6：求解含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T

其中x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离(n＝1、2、3)，l′＝x₃

利用已知参数以及动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆测量的数据对不包含阀的终端阻抗Z_T进行计算，其具体计算过程如下：

其中x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与泵的距离(n＝4、5、6)，l＝x₆；

S80、计算出高速开关阀的阻抗Z_G，利用S70计算出的包含阀的终端阻抗Z′_T以及不包含阀的终端阻抗Z_T，通过下面公式计算出高速开关阀的阻抗Z_G；

Z_G＝Z′_T-Z_T；

S90、利用测量的压力脉动计算出高速开关阀的压力脉动，动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆分别测得的压力脉动的数据只表示其当前位置的压力变化，由于PT₃和PT₄分别在高速开关阀的两侧且离高速开关阀最近，所以取PT₃和PT₄测的平均值作为高速开关阀处的压力脉动，其计算公式如下：

S100、利用已求解的高速开关阀阻抗与压力计算出高速开关阀的流量脉动，通过流体的连续性方程以及作用在流体上力的方程，得到以下公式：

其中，Z表示阻抗，P表示压力脉动，Q表示流量脉动；

利用上述公式，将前面获得的高速开关阀的阻抗Z_G和高速开关阀处的压力脉动P_G代入上式，最终解出高速开关阀产生的流量脉动；

S110、输出结果，将S100求解出的流量脉动，以图像的形式显示出来。

实施例：

如图2所示，本例中：

其中泵源处以并联的方式把液压泵的流量与泵源阻抗分开，形成了图2中1表示的泵源流量以及2表示的泵源阻抗。

6高速开关阀阻抗把3动态压力传感器PT₁，4动态压力传感器PT₂，5动态压力传感器PT₃，7动态压力传感器PT₄，8动态压力传感器PT₅，9动态压力传感器PT₆分成两组，每一组三个动态传感器，利用前后两组动态传感器分别求解出S70中提到的包含高速开关阀的终端阻抗Z′_T与11不含高速开关阀的终端阻抗Z_T。

12油箱把上述的1泵源流量，2泵源阻抗Z_S，3动态压力传感器PT₁，4动态压力传感器PT₂，5动态压力传感器PT₃，6高速开关阀阻抗Z_G，7动态压力传感器PT₄，8动态压力传感器PT₅，9动态压力传感器PT₆，10平均压力传感器，11终端阻抗Z_T整体的串联起来，形成一个封闭的测量***示意图。

其中，S120与S150组成了对包含高速开关阀阻抗的终端阻抗Z′_T的计算***，通过将S120中测得的动态压力信号经过12信号采集模块传递给14信号处理模块；***根据S70中步骤5中的公式进行运算，计算出终端阻抗Z′_T；S130与S150组成了对不含高速开关阀阻抗的终端阻抗Z_T的计算***，计算过程与上述相似，只是传递的是7动态压力传感器PT₄，8动态压力传感器PT₅，9动态压力传感器PT₆三个传感器测得的高频压力信号；S140与S150组成了高速开关阀压力脉动的计算***，将5动态压力传感器PT₃与7动态压力传感器PT₄测得的信号通过12信号采集传递给14信号处理***根据S90中的公式进行运算解得高速开关阀的压力脉动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，仅用于说明本发明方法而非限制，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 (9)

1.基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，所述高速开关阀设于管道处，以液压泵驱动，以对管道处六个动态压力传感器采集的高频动态压力信号的运算来实时测量高速开关阀流量脉动，其特征在于：所述六个高频动态压力信号分别为驱动液压泵与高速开关阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃采集的三个高频动态压力信号，以及高速开关阀与加载阀之间三个不等距安装的动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆采集的另外三个高频动态压力信号；所述实时测量高速开关阀流量脉动的运算过程包括以下步骤；

步骤一：根据管道内径、油液介质的运动粘度以及被测高速开关阀的频率对管道中波的剪切数进行求解计算；

步骤二：根据步骤一求解的波的剪切数以及波的剪切数与由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化建立函数关系对管道黏性影响系数进行求解计算；

步骤三：根据油液介质的密度、有效体积模量以及步骤二计算管道黏性影响系数对管道中波的传递系数进行计算求解；

步骤四：根据油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及步骤二计算的管道黏性影响系数对管道的特征阻抗进行计算求解；

步骤五：采集驱动液压泵与高速开关阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与驱动液压泵之间的距离数据、步骤四计算的管道的特征阻抗数据、终端反射系数与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第一解；

采集高速开关阀与加载阀之间的三个动态压力传感器提供的高频动态压力信号，将其分别与高速开关阀之间的距离数据、步骤四计算的管道的特性阻抗数据、终端反射系数对与压力和管道特征阻抗的关系数据进行计算，对不包含高速开关阀的终端阻抗进行求解得到第二解；

然后通过对第一解、第二解做差的方法计算出高速开关阀的阻抗；

步骤六：根据高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号，通过求取平均值的方式对高速开关阀的压力信号进行求解；

步骤七：根据步骤五求解的高速开关阀阻抗以及步骤六求解的高速开关阀压力对高速开关阀流量脉动进行求解，并将计算结果以图像的形式实时显示出来；

所述方法计算时忽略管道中的纵向应力，其具体实施包括以下步骤；

S70、利用压力传感器测得的压力分别计算出包含阀的终端阻抗与不包含阀的终端阻抗，当压力脉动与平均压力之差小于平均压力的50％时，说明传感器工况正常，其测得数据可以继续用于进行计算，利用已知参数以及动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃测量的数据对包含阀的终端阻抗Z′_T进行计算；

其具体步骤如下：

步骤1：求解N_S

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

步骤2：判断N_S的数值

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化；

当N_S小于8用以下公式：

步骤3：求解管道黏性影响系数ξ

步骤4：求解波的传递系数γ

j²＝-1

步骤5：求解管道的特征阻抗Z₀

步骤6：求解含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T

其中x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离(n＝1、2、3)，l′＝x₃

利用已知参数以及动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆测量的数据对不包含阀的终端阻抗Z_T进行计算，其具体计算过程如下：

其中x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与泵的距离(n＝4、5、6)，l＝x₆；

S80、计算出高速开关阀的阻抗Z_G，利用S70计算出的包含阀的终端阻抗Z′_T以及不包含阀的终端阻抗Z_T，通过下面公式计算出高速开关阀的阻抗Z_G；

Z_G＝Z′_T-Z_T；

S90、利用测量的压力脉动计算出高速开关阀的压力脉动，

动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆分别测得的压力脉动的数据只表示其当前位置的压力变化，由于PT₃和PT₄分别在高速开关阀的两侧且离高速开关阀最近，所以取PT₃和PT₄测的平均值作为高速开关阀处的压力脉动，其计算公式如下：

S100、利用已求解的高速开关阀阻抗与压力计算出高速开关阀的流量脉动，通过流体的连续性方程以及作用在流体上力的方程，得到以下公式：

其中，Z表示阻抗，P表示压力脉动，Q表示流量脉动；

利用上述公式，将前面获得的高速开关阀的阻抗Z_G和高速开关阀处的压力脉动P_G代入上式，最终解出高速开关阀产生的流量脉动。

2.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤六中，高速开关阀两侧相邻的两个高频动态压力信号分别是动态压力传感器脉动PT₃、PT₄测得的压力脉动P₃、P₄；

通过选取高速开关阀两侧相邻的两个压力信号对高速开关阀压力脉动P_G进行计算，计算方法如下：

3.根据权利要求2所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤五、六、七中，利用六个动态压力传感器实时测得的高频动态压力推导出高速开关阀的阻抗Z_G以及高速开关阀的压力脉动P_G，然后结合下列公式推导出高速开关阀的实时流量脉动变化：

其中，P_G高速开关阀压力脉动，Z_G高速开关阀的阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：对不含高速开关阀的终端阻抗Z_T，含高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T以及高速开关阀的终端阻抗Z_G的计算方法如下：

根据已知的距离l′，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出高速开关阀在内的终端阻抗Z′_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃分别与泵的距离，n＝1、2、3，l′＝x₃；根据已知的距离l，测得的压力脉动p_n，计算得出的管道黏性影响系数ξ以及管道的特征阻抗Z₀，利用下面公式计算出不包含高速开关阀的终端阻抗Z_T；

其中，x_n表示动态压力传感器PT₄、PT₅、PT₆分别与高速开关阀的距离，n＝4、5、6，p_n表示测得的六个压力脉动，n＝4、5、6；l＝x₆。

5.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤四中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道的特征阻抗Z₀进行计算，计算过程如下：

其中，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，A是管道的截面积，ξ管道黏性影响系数。

6.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤三中，通过获得油液介质的密度、有效体积模量、管道内径以及管道黏性影响系数对管道中波的传递系数γ进行计算，计算过程如下：

其中，j²＝-1，ρ油液介质密度，B_eff油液介质有效体积模量，ω频率。

7.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤二中，根据波的剪切数、有效密度和有效粘度的变化对管道黏性影响系数ξ进行计算，计算过程如下；

根据已知的动力黏度、管道直径以及频率，通过下面公式求解波的剪切数N_S；

其中，d管道的内径，υ运动粘度，ω频率，N_S是波的剪切数；

根据求解出N_S的不同数值范围，从下面两种计算方式中选择一种计算方法求解K₁、K₂；

当N_S大于等于8用以下公式：

K₂＝0.425+0.175N_S公式十二；

当N_S小于8用以下公式：

其中，K₁、K₂表示由于波的速度分布随频率的变化而导致流体的有效密度和有效粘度的变化。

8.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：步骤七中，将所有的推导过程在Labview中编译成计算程序，所述计算程序通过不断获得的六个高频动态压力信号，实时更新高速开关阀的流量脉动的变化情况并以图像的形式显示出来。

9.根据权利要求1所述的基于高频动态压力信号测量高速开关阀流量脉动的方法，其特征在于：所述方法计算时忽略管道中的纵向应力，其具体实施包括以下步骤；

S10、确定管道内测量油液介质的密度ρ、有效体积模量B_eff、动力黏度μ；这些是油液介质的基础参数，有效体积模量B_eff也可以利用下面公式计算：

其中，B_T是流体的等熵切线体模量，是管道内径与外径的平均值，δ管道的壁厚，υ管壁的泊松比，E管道的杨氏模量，c₁是一个因子，是管道中纵向应力和应变的函数；

S20、确定动态压力传感器与液压泵、高速开关阀以及动态传感器之间的距离；设备启动前，测绘出每个动态传感器与液压泵泵源以及高速开关阀的距离，并测绘出每个动态传感器之间的距离，将相关的数据输入本方法所用的运算***中，作为计算流量脉动的已知条件；

S30、启动设备，空载20-30分钟，期间使被测高速开关阀全开，对此时测量的任何数据不作处理，同时把冷却器的控制温度调制好，使冷却器控制的温度与温度传感器测得的温度差不超过2摄氏度，使***正常稳定的运行，同时清除***中可能存在的气体，避免测量***中存在的气体对流量脉动计算结果造成影响；S40、确定高速开关阀的频率ω；获得压力脉动P；获得平均压力P_m，流量脉动的运算***直接与高速开关阀的控制***关联，通过实际工况的需求获得不同时刻的频率ω，通过动态压力传感器PT₁、PT₂、PT₃、PT₄、PT₅、PT₆测量到压力脉动P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆，这些压力脉动信号通过采集***对信号放大，将P₁、P₂、P₃与P₄、P₅、P₆数据分成两组信号并按照一定的时序传输给本方法使用的信号处理***用于流量脉动的计算；利用平均压力传感器获得平均压力P_m，通过信号采集***放大传输给信号处理***用于判断压力脉动测量数据是否合理；S50、判断压力脉动与平均压力之差是否小于平均压力的50％，由此判断测量的压力数据是否合理，在进行流量脉动计算之前规避掉不合理的实验数据；

S60、重新校正压力传感器，当在S50中判断压力脉动与平均压力之差大于平均压力的50％时，说明传感器出现问题，需要进行重新校正，或者需要更换新的传感器，校准时将6个动态压力传感器安装在一个公共阀块中，以便它们测量相同的压力脉动，使压力传感器处于相同的轴向位置，并且间距不超过20毫米；

S110、输出结果，将S100求解出的流量脉动，以图像的形式显示出来。