摘要：由于阀内流体流动强烈的非定常性而影响阀门工作的稳定性，甚至引起阀门的振动，危及设备的安全运行。以调节阀为研究对象，利用微小型高频动态压力传感器及其采集系统，在阀座喉部、阀碟头部等阀体内各关键部位设置测点，进行多种工况和多个方位的试验研究，并利用频谱分析方法对调节阀杆振动或不稳定工况的流场动态压力信号进行采集、处理和分析，深入研究阀内的复杂流动特性及其对阀门工作稳定性的影响，得出相应结论。
关键词：微传感器；调节阀；试验
调节阀的流量特性研究较多，其工作的稳定性（如是否出现振动、噪声过大等）研究也十分必要。该文利用试验研究阀内流场对阀门工作稳要定性的影响。
1、调节阀试验系统
调节阀试验是在多种压比和相对升程工况下进行的。
压比定义为：
式中：
为阀后压力；
为阀前压力。
相对升程定义为：
式中
为调节阀的阀杆提升高度；
为阀碟-阀座的配合直径。
为了全面认识阀体内复杂结构形成的复杂流动特性，在阀腔进口、阀腔顶端、阀座喉部、阀座渐扩段、阀碟头部等多个关键部位设置了动态压力测点。通过对上述诸测点的动态压力变化和阀杆振动特性测试及相应的结果，进行各点测量数据的处理和结果的关联分析，可以得出在不同工作条件下阀内流动特性。
试验系统如图1所示，所用工质为空气。为使进口气流均匀性较好，由压气机高压气源来的空气经过扩压段、稳压筒、收敛段后进入调节阀，气流经阀碟和阀座间的环形通道后流入阀座，经阀座渐扩段扩压后进入排气管道，将排气管道引入地下排气口后排出室外，以降低噪音。气流进口和出口方向成90°。
试验中，气体流量、静压、温度设有专门的测量管段和仪器。
试验系统的不确定度如下：动态压力为0.1%，静态压力小于1%，流量为1.5%。
2、动态压力传感器及数据采集系统
2.1、微小型动态压力传感器
了尽可能减少接触测量对调节阀内流场的干扰，采用了美国Kulite传感器公司生产的压阻式微小型动态压力传感器。该传感器集成硅敏感元件，并采用光刻法制成很小尺寸，从而使传感器具有很高的固有频率，低迟滞和优良的热性能和环境性能，优越的静态和动态性能，并且牢固耐用。试验选用的是XCQ-062系列，传感器尺寸为：直径Φ1.6mm，长度12mm，工作温度范围为-55～204℃，固有频率为330～500kHz，测量精度为满量程的0.1%，被测介质为非导电性、无腐蚀性的液体和气体。
由于传感器过于微小，试验时设计和制造了专门的紧固装置，以便于安装和拆卸，如图2所示。使用线切割技术，套筒壁面上有螺钉以紧固传感器。紧固装置安装在测试采集系统的信号线接头装置中，安全可靠。
压力传感器的校准方法一般包括静态校准和动态校准，且先进行静态校准。但要给出一些标准的动态压力是比较困难的，所以目前一般仍采用静态标定。经验表明，只要整个测压系统的响应频率足够高，采用静态标定过的测压系统来测量动态压力，结果是有足够精度的。文中试验采用了测压范围为0～0.35MPa和0～0.17MPa两种传感器，满量程输出为100mV。两种微传感器的静态标定结果如图3所示。
2.2、高频动态数据采集系统
高频动态采集和分析系统可以进行多通道并行动态采集，具有高速、大容量和瞬态数字化的优点，是集测量、分析、结果输出为一体的高性能综合性测量系统。由于每个通道都自带A/D和缓冲器，因而不会因为通道扩展而使最高采样率下降或存储深度下降。它的基本工作方式是按采集-处理-再采集-再处理的顺序进行工作。系统最高采样率为1.25Msps、采样精度为12bit ，能够及时响应阀内非定常流动的参数及其变化。
3、动态信号处理
调节阀内的流动具有典型的非定常特性，动态测量能够准确及时地确定其内部流场的瞬时值以及它随时间而变化的量值。动态测试中数据处理分析内容广泛，其中频谱分析和波形分析就是动态数据处理中最重要和最基本的方法。频谱分析和波形分析既相互独立又密切相关，它们之间有明显的区别通过傅立叶变换可以相互转换。频谱和波形分析与随机数据处理方法已经成为信号分析中最常用且有效的方法，文中试验就采用了这些方法。
频谱分析系统由计算机、信号放大器、滤波器、数据采集器、分析软件、显示器和打印机等构成。系统的工作原理如下：物体在外力的冲击作用后作自由振动，其振动波形由各阶自由振动的波形叠加而成。鉴于此，通过计算机采集系统，将零件在外力冲击作用后的振动特性转换为数字信号，对其进行频谱分析，获得振动信号的各阶谐波频率，即可得到零件的各阶自振频率。
在非定常气流的激发下，阀门将产生相应的机械振动。由于调节阀振动形式主要表现为阀杆-阀碟的振动，所以在试验中利用频谱分析和相关分析进行阀杆-阀碟振动信号的处理。
4、结论
将试验数据处理结果和理论分析结合起来进行研究，可以得出以下结论：
（1）研制和使用了整套研究调节阀工作稳定性的试验系统。试验中，将微传感器直接插入阀座喉部、阀碟头部等阀体内的各关键部位，利用高频动态采集系统进行多工况范围和多方位的测量。对阀内高频动态压力试验数据，采用谱分析和相关分析方法进行数据处理和分析，方法简便、实用、可靠。
（2）调节阀的振动具有复杂的成因及形式，但是大多数振动都与流场特性密不可分，阀的振动与流型发生变化有关。流场强烈脉动或振荡产生很大激振力，可能引起阀强迫振动；其脉动频率如果与阀的低阶固有频率相同时，就可能引起大幅共振。
（3）调节阀流场的脉动压力幅值大，不一定会使阀门产生共振，但一定会引起调节阀的不稳定。适当改变阀杆-阀碟固有频率是最便利、最有效的改善调节阀不稳定状态的途径。
（4）虽然阀座扩散角的增大可以提高调节阀的通流能力，但其过大（超过5°）会导致气流在阀座渐扩段壁面的分离严重，增加流动损失，同时使流场脉动显著增大，增加阀门的不稳定性。
