渦街流量計(jì)是上世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)的一種振動(dòng)頻率與流速成正比的流量計(jì)。針對(duì)渦街流量計(jì)在低流速時(shí)幅值小而高流速幅值大,且低流速信噪比低而高流速信噪比高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法，通過(guò)測(cè)量通道與監(jiān)測(cè)通道的配合工作,提升了低流速的測(cè)量性能,擴(kuò)大了渦街流量計(jì)測(cè)量量程。
理論上,渦街流量計(jì)的測(cè)量量程比可達(dá)幾百比一-1,但由于渦街流量計(jì)在測(cè)量低流速時(shí)產(chǎn)生的旋渦壓力小，初始信號(hào)較微弱,同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況的影響,在進(jìn)行低流速測(cè)量時(shí)不能有效進(jìn)行濾波,容易被噪聲淹沒(méi)。目前國(guó)內(nèi)的渦街流量計(jì)產(chǎn)品量程比多為10:1到15:1。
本文以壓電式渦街流量計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)渦街流量計(jì)信號(hào)與噪聲的特點(diǎn),通過(guò)改進(jìn)前置放大電路和濾波處理電路，設(shè)計(jì)了雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作頻段的流量測(cè)量,達(dá)到提高測(cè)量量程比的目的。
1渦街流量計(jì)的信號(hào)特點(diǎn)
渦街流量計(jì)的振動(dòng)頻率與流速(流量)之間的關(guān)系(3):
f=(St×v)/d(1)
式中:St為斯特勞哈爾數(shù);f為輸出頻率;V為流體流速;d為旋渦發(fā)生體寬度。
工程中常用下式進(jìn)行流體流量測(cè)量(4:
qv=3600×tf/K(2)
式中:qv為體積流量;K為儀表系數(shù)。
2雙通道渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法分析
2.1測(cè)量通道信號(hào)處理方法分析
本設(shè)計(jì)采用由具有1/f²衰減(-40dB/dec)特性的低頻濾波器和二階高通濾波器(40dB/dec)組成的帶通濾波器來(lái)對(duì)原始信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行處理。該濾波器的幅頻特性為:
在低頻段，渦街信號(hào)經(jīng)過(guò)相同轉(zhuǎn)折頻率的低通濾波器，輸出幅值為常數(shù);在高頻段,低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率后移，使低通濾波器基本放開(kāi)。圖1為50mm口徑管道液體的頻率段劃分示意圖。此四頻段信號(hào)處理方法構(gòu)成的“測(cè)量通道”是整個(gè)渦街信號(hào)處理體系的主體通道。
2.2監(jiān)測(cè)通道信號(hào)處理方法分析
為監(jiān)測(cè)信號(hào)由低頻突變?yōu)楦哳l時(shí)的狀況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由轉(zhuǎn)折頻率為fL=fmax/2=70Hz的一階低通濾波器與轉(zhuǎn)折頻率為fH=8*fmin=16Hz的一階高通濾波器組成的帶通濾波器作為“監(jiān)測(cè)通道”。圖2為“監(jiān)測(cè)通道”的幅頻曲線示意圖。
3渦街流量計(jì)信號(hào)處理硬件設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)主要包括前置放大電路、可控增益調(diào)整電路、測(cè)量通道以及監(jiān)測(cè)通道單元。各部分電路之間相互協(xié)調(diào)完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的信號(hào)處理。
3.1前置放大電路
本文采用儀表放大器INA118作為前置放大電路，以此完成壓電傳感器的輸入信號(hào)放大轉(zhuǎn)換。如圖3,INA118采用單電源供電,Ref為信號(hào)地的參考電平,為+V∞/2。
3.2可控增益調(diào)整電路
可控增益調(diào)整電路由一個(gè)階高通濾波電路和一個(gè)可調(diào)增益的同相放大器組成。以此來(lái)配合測(cè)量通道,發(fā)揮儀表的寬量程優(yōu)勢(shì)，完成回路的閉環(huán)自動(dòng)增益調(diào)整。如圖4,U5為256抽頭100kQ2數(shù)字電位器,C43.,C40.,C39電容通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選通不同的組合，形成具有隔直和分頻段濾波作用的轉(zhuǎn)折頻率可控的一階高通濾波器。同相放大器的放大倍數(shù)為1+RP0/R5。
3.3測(cè)量通道
測(cè)量通道是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分，包括數(shù)控帶通濾波器和硬件脈沖整形電路，以此完成信號(hào)的濾波處理和脈沖整形任務(wù)。數(shù)控帶通濾波器由兩個(gè)具有相同的轉(zhuǎn)折頻率的一階低通濾波器和一個(gè)二階高通濾波器組成，如圖5所示。
硬件脈沖整形電路如圖6所示,為一個(gè)施密特觸發(fā)器,對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)整形，得到包含信號(hào)頻率信息的方波信號(hào)。施密特觸發(fā)器的高低觸發(fā)閾值電壓由以下二式?jīng)Q定:
式中VH為高觸發(fā)閾值;VL為低觸發(fā)閾值;VCH為高電平電壓;VCL為低電平電壓;VREF為參考電壓。在本設(shè)計(jì)中，電源電壓為3.3V,單電源供電，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信號(hào)參考點(diǎn)為0~3.3V的中心點(diǎn)1.65V,所以VREF=1.65V;施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.9V.
3.4監(jiān)測(cè)通道
如圖7為監(jiān)測(cè)通道的濾波電路。電阻U21-P1和電容C2構(gòu)成一階低通濾波，電阻U21-P0和電容C44構(gòu)成一階高通濾波。若介質(zhì)為液體,則模擬開(kāi)關(guān)U25關(guān)斷;若介質(zhì)為氣體,則選通模擬開(kāi)關(guān)。此處施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.78V。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本設(shè)計(jì)在50mm口徑渦街流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。圖8所示為信號(hào)流各測(cè)試點(diǎn)波形圖。圖8a上方的波形為前置放大后.輸出的波形(TPO),壓電傳感器輸出的差分信號(hào)經(jīng)前置儀表放大器輸出轉(zhuǎn)換后，得到的正弦信號(hào),但信號(hào)信噪比相對(duì)較差;下方的波形為經(jīng)過(guò)測(cè)量通道濾波輸出之后的波形(TP1),經(jīng)過(guò)濾波去噪放大處理,得到的高信噪比信號(hào)。圖8b下方波形即是經(jīng)過(guò)測(cè)量通道濾波輸出之后的波形(TP1);上方波形為經(jīng)過(guò)軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(hào)(TP4),對(duì)于峰峰值大于設(shè)定閾值的模擬信號(hào)，軟件脈沖整形都能正確輸出方波。圖8c.上方波形即為經(jīng)過(guò)軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(hào)(TP4),因?yàn)橛写嬖谛∮诿}沖整形閾值的信號(hào)，致使輸出方波存在缺波現(xiàn)象;下方波形為經(jīng)過(guò)功率最大頻率點(diǎn)周期估計(jì)之后輸出的波形(TP5),通過(guò)軟件濾波最大程度的復(fù)原了真實(shí)的信號(hào)波形，保證了測(cè)量精度。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,渦街流量計(jì)的校準(zhǔn)檢定是必不可少的。通過(guò)校準(zhǔn)可以確定渦街流量計(jì)的性能指標(biāo)，尋找影響儀表特性的各種因素,為提高儀表性能提供依據(jù)。本文對(duì)50mm口徑液體渦街流量計(jì)采用靜態(tài)容積法進(jìn)行校準(zhǔn)檢定,其流量檢定范圍為1~50m³/h,流量檢定點(diǎn)分別為2%、10%、20%、40%.91%五點(diǎn)。具體檢定數(shù)據(jù)如表1所示:
由計(jì)算得:儀表系數(shù):9.4179(次/L)線性度:±2.56%
重復(fù)性:0.142%基本誤差:2.564%
國(guó)內(nèi)渦街流量計(jì)在50mm口徑時(shí)，對(duì)液體的測(cè)量范圍一般為3~50m³/h,本文所設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法的測(cè)量下限達(dá)到了1.2m³/h左右，拓展了2.5倍左右的測(cè)量下限,使量程范圍擴(kuò)大了2.5倍。
由表1的液體檢定數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在對(duì)中高流速的測(cè)量下,即10~50m³/h范圍內(nèi)，檢定的儀表系數(shù)穩(wěn)定在9.2左右，但在1.2m³/h低流速的情況下達(dá)到了9.6594,因此產(chǎn)生了較大的線性度和基本誤差。在1.2m³/h流速點(diǎn)時(shí)儀表系數(shù).上升明顯,但是1.2m³/h流速下的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)性較好(0.142%),而且通過(guò)示波器監(jiān)視頻率輸出波形,看到脈沖輸出均勻,沒(méi)有看到誤捕捉脈沖的情況，因此考慮主要是由于小口徑低流速下儀表系數(shù)本身的非線性造成的。通過(guò)，上位機(jī)后期的軟件非線性修正，完全可以得到線性度理想的儀表系數(shù)。
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