摘要:比較了渦街(jie)流量計 的測量方(fang)法,選用了具有靈(ling)敏度高、耐熱性強(qiang)抗震性👣強等優點(diǎn)的電容式渦街流(liu)量計,介紹了其測(cè)量原理與系♋統組(zu)成.通過科學的理(lǐ)論推導,獲得渦街(jiē)🔞力、偏轉角與電容(rong)的關系,并将電容(róng)式渦街流量測量(liang)信号處🌈理方法進(jin)行分析和比較.最(zuì)後闡述了電㊙️容式(shi)渦街流量計研制(zhi)的技術關鍵.
　　渦街(jiē)流量計具有精度(dù)高、量程比較寬、線(xiàn)性度較好💔且适🌏用(yong)🐉各種介質等一系(xi)列的優點,在計量(liang)檢測中發揮越來(lai)🈲越大的作🔆用,有着(zhe)廣泛的應用前景(jǐng),因此對渦街流量(liàng)計的研究具有重(zhong)要的意義.
　　渦街流(liu)量傳感器按檢測(ce)方式主要有熱敏(mǐn)式、應力式😄、電容式(shì)等.熱敏式渦街傳(chuán)感器靈敏度高,适(shì)宜低溫、低密度的(de)氣體測量,但易受(shou)流體中污物的影(ying)響或損壞⭕.應力式(shi)渦街傳感器具有(you)響應快、信号強、工(gōng)藝性好、制造成本(běn)低等優點,但抗震(zhèn)性相🔴對較差,信噪(zào)比較低,，在低密度(du)、低流速環境振動(dong)大的場合不宜使(shi)用電容式✔️渦街流(liu)量計與其他渦街(jie)流量計相💘比,具有(you)靈敏度高、耐熱性(xìng)強、抗震性強等優(you)點,因而在工業企(qǐ)業中得到🚩了廣泛(fan)的應用.
1電容式渦(wo)街流量測量原理(lǐ)與系統組成
　　渦街(jie)流量計是利用流(liu)體振蕩原理來測(ce)量流量或流速.在(zài)流體中放置一個(gè)具有均勻斷面形(xíng)狀的擋體，在擋體(ti)的兩❌側會🔆交替産(chǎn)生一種有規律的(de)漩渦,并向下💜遊流(liú)去,非對稱地形成(chéng)二列漩渦列,即卡(kǎ)門渦街.利用這種(zhǒng)漩渦産生的規⚽律(lǜ),根據漩渦産生的(de)頻率ƒ,通過
 
　　其中,ʋ表(biǎo)示流體流速;d表示(shi)漩渦發生體特征(zheng)寬度;m表示漩渦發(fā)生☀️體兩側弓形面(mian)積與管道橫截面(mian)面積之比;Q表示💁體(tǐ)積流量;D表示管道(dao)内徑;k表示流量計(ji)儀表系數.斯特哈(ha)爾數爲無量綱參(can)數,它與旋渦發生(shēng)體形狀及雷諾數(shu)有關，在雷諾數的(de)範圍爲2x104~7X106時,s;可視爲(wèi)常數,即儀表正常(chang)工作範圍.
　　電容式(shi)渦街傳感器的檢(jian)測元件是一-根剛(gāng)性空心圓杆,當🈲渦(wo)街作用在圓杆底(dǐ)部時,剛性圓杆會(huì)繞着😘固定🚩點偏轉(zhuǎn).圓杆.上部作爲電(dian)容的-一個極闆,，與(yu)另外兩個電極組(zu)☂️成差動電容,差動(dong)電容☂️值會随圓杆(gǎn)擺動而改變,其規(guī)律爲與渦街發生(sheng)同頻率的周期性(xìng)變化.轉換器檢測(ce)電容的變化,并轉(zhuǎn)換爲脈沖信🌏号,該(gāi)脈沖頻率🈲就是渦(wō)街的發生頻率,與(yu)流量👉大小成正比(bi).轉換器最💛終輸出(chu)流量大小爲4~20mA模拟(ni)信号或通過HART現場(chang)總線輸出😄數字信(xìn)号.電容傳感器如(rú)圖1所示，.
 
　　渦街力與(yǔ)偏轉角的關系是(shi)根據轉動的物體(ti)遵循🧑🏾‍🤝‍🧑🏼牛頓轉動🌈定(ding)律得出,通過必要(yao)的理論推導,獲得(de)渦🐪街力🐅、偏轉角與(yu)電容的關系爲
 
　　其(qi)中，T表示物體所受(shòu)到的力矩;J表示物(wù)體轉動慣量🌈;θ表示(shì)角位❗移🔴;C表示粘性(xing)摩擦系數.
渦街力(lì)與流速之間的關(guān)系爲
 
　　其中，F表示渦(wō)街産生的交替推(tui)力，T=F*R;CL表示無量綱系(xì)數;ʋ表示流體✉️的流(liu)速;Q表示流體的密(mi)度;D表示管道内徑(jìng);d表示☔漩渦發生體(ti)迎流面寬度.
最後(hou)偏轉角與電容的(de)關系爲
 
　　其中,△C表示(shì)差動電容;Ɛ表示電(dian)容介質系數;b表示(shi)極闆寬㊙️度;δ表示💚兩(liǎng)👅極闆的間距.
　　電容(rong)式渦街流量計由(you)傳感器和轉換器(qì)兩部分組成.傳感(gan)✊器包括漩渦發生(shēng)體(阻流體)檢測元(yuan)件、儀表表體等;轉(zhuan)換器包括🏃‍♂️電荷檢(jiǎn)測電路、濾波整形(xing)電路、微處理器、D/A轉(zhuan)換電路、輸出接口(kǒu)電路、顯示通信電(diàn)路、端子、支架🌈和防(fang)護罩等.
2電容式渦(wo)街流量測量計信(xin)号處理方法比較(jiao)
　　渦街流量信号由(yóu)兩部分組成:--是由(you)流速産生的正👅弦(xián)渦街信号,1二是幹(gan)擾引起的噪聲信(xin)号,因此渦街信号(hao)遠非理想的正弦(xián)波信号,而是一個(ge)混有強噪⛱️聲的混(hun)合信号.現在，已經(jīng)提出了很多種處(chu)理渦街信号的方(fāng)法,用來提取流量(liàng)信号的頻率.
2.1譜分(fèn)析信号處理方法(fǎ)
　　建立噪聲模闆和(hé)信号模闆的基礎(chǔ)上,用譜分析方法(fa)💞消除渦街流量計(ji)中的強噪聲是近(jìn)年來研究熱點之(zhī)一,利🈚用該方法✊解(jie)決👄強幹擾條件下(xia)渦街流量計測量(liàng)🌈問題.首♋先将頻率(lǜ)測量範圍分段,在(zài)不同頻段建立噪(zào)聲模闆,然📱後用混(hun)合💛信号的功率譜(pǔ)與噪👄聲模闆,提取(qu)噪聲,再利用插值(zhi)法消除噪聲,最後(hòu)對消除噪聲的信(xin)号進行頻譜分析(xī),計算出頻率📱，利用(yong)🐕頻譜校正法提高(gao)計算精度[31.但是,噪(zào)聲情況各種各樣(yàng).不易獲得噪聲的(de)👅所有模闆.經典譜(pǔ)分析算法對正态(tài)分布的白噪聲有(you)很好的抑制作用(yong)，方法直觀,容易編(biān)程實現.但在非整(zhěng)周期采樣時誤🏃‍♀️差(chà)較大,需👨‍❤️‍👨要進行頻(pín)譜校正.而現代譜(pu)分析方法更适合(he)短序㊙️列的譜分析(xi),對噪聲抑制能力(lì)強👄,精度高,但建模(mó)階數對功率♊譜計(ji)算的結果有影響(xiang),有時還存在譜線(xian)🔞分裂現象.
2.2自适應(yīng)濾波信号處理方(fang)法
　　采用基于最小(xiǎo)均方自适應算法(fa)的現代譜分析處(chu)🐉理流⛷️量信号.自适(shi)應濾波方法采用(yòng)十抽一濾波器和(hé)高低通濾波器.自(zi)适應陷波針對不(bu)同頻率的信号建(jiàn)立不同參數的模(mo)型,在非整周期采(cai)樣、諧波和噪聲千(qian)擾情況下頻率測(cè)量都能達到較🈲好(hǎo)的精度,其不足之(zhi)處是采樣點數♌多(duō),計算時間長,實時(shi)性差🙇‍♀️.如果流量信(xin)号發生突變,而采(cǎi)樣頻率沒有及時(shí)跟蹤,會造成較大(dà)的🐅測量誤差.由漩(xuan)渦發生體、熱線探(tan)針、前置處理電路(lù)和APPLE微機構成測量(liang)系統,驗證了譜分(fen)析方法用于渦街(jie)流🤩量計信号處理(lǐ)的可行性,但是,這(zhe)種方法對諧💃🏻波幹(gan)擾的抑制能力較(jiào)差.
2.3熵譜法信号處(chu)理方法
　　對周期圖(tú)譜分析和基于Burg的(de)現代譜分析方法(fǎ)一最🔴大☂️熵譜法🏃‍♂️,用(yòng)于渦街流量計的(de)信号處理進行了(le)研究,發現周期圖(tú)譜分析方法對長(zhang)序列的計算精度(du)高,對諧波的抑制(zhì)能力強,處理非過(guo)零采樣的數據時(shí),計算精‼️度不受影(yǐng)響,基于Burg算法的譜(pu)分析方法,先建立(lì)自回歸模型,再計(ji)算功率譜'51.采用Burg算(suàn)法,以正反向線性(xìng)預測🔴誤差能量的(de)平方和最小爲準(zhun)則,來估計自回歸(guī)👣模型的系數,特🙇🏻别(bié)易于短序列的譜(pu)分析📞,分辨率較高(gāo).進行仿真後,發現(xian)Burg算法抑🤩制随機噪(zao)聲💛能力強,但✌️抑制(zhì)确定性噪聲,如渦(wo)街産生的低頻擺(bai)動噪聲的能力比(bǐ)周期圖法差.
2.4DSP軟硬(ying)件結合信号處理(li)方法
　　采用DSP芯片将(jiang)周期圖譜分析法(fa)和數字信号處理(li)器應用于渦街流(liú)量計的信号處理(li),研制了硬、軟件系(xì)統計算流量信号(hao)的頻率,取得了不(bú)錯的效果.但是,采(cai)用DSP芯片,首先㊙️是價(jia)格較高,其次在市(shì)電供給困難的場(chang)合,如野外、井下、長(zhǎng)期無人值守的環(huan)境下,就不能采用(yong)DSP芯片作爲處理器(qì)了,因爲現有的DSP芯(xin)片功耗至少有幾(ji)十毫安.基于FFT的經(jīng)典譜分析方法,直(zhí)接用傅立葉變換(huan)對有限時間序列(lie)計算功率譜，求取(qǔ)信💘号🈚頻率.該方法(fa)能有⛷️效抑制諧波(bō)幹擾☀️,但在非整周(zhou)💰期采樣時,有較大(dà)的洩漏誤差,必須(xū)利用頻譜校正方(fāng)法來提高測量精(jing)度.
2.5小波變換信号(hao)處理方法
　　小波變(biàn)換可以作爲--組帶(dai)通濾波器,用來對(dui)渦街傳🌈感器信号(hao)進行濾波,去除噪(zao)聲,以便正确提取(qǔ)頻率信息🈲.利用小(xiǎo)波變換的低通和(hé)帶通濾波特性,可(kě)以把原始㊙️信号中(zhong)的不同🌂頻率的信(xin)号成分分離出來(lái)16].小波變換👨‍❤️‍👨可看成(cheng)是--組帶通濾🥰波器(qì),具有低頻處分🚶‍♀️辨(biàn)率高、高頻處分辨(biàn)率低的特點,但功(gong)耗和實時性✨需要(yao)進一步探讨.
2.6數字(zi)濾波器信号處理(lǐ)方法
　　數字濾波器(qì)的設計方法很多(duo),最通用的方法是(shì)利用🔴已經很成熟(shú)的模拟濾波器的(de)設計方法,如Butteworh濾波(bō)💋器、Chebyshev濾波器、橢圓濾(lü)波器等.采用Buttenworth濾波(bo)、低通濾波、中位🔞數(shu)濾波相結合的濾(lü)波方法對原始的(de)渦街信号進行處(chù)理,該方法能滿足(zú)低通濾波要求,通(tong)過合理選擇窗口(kǒu)長度可以有效濾(lü)除脈沖噪聲(".但是(shì)在實際應用時,信(xìn)号需要經過三級(ji)濾波,存在計算量(liàng)大、實時性較差🌏的(de)問題😄.
3電容式渦街(jiē)流量計研制的關(guan)鍵技術
　　綜合國内(nèi)外研究狀況,渦街(jie)流量計研究的發(fā)展的關鍵技術主(zhǔ)要集中在以下方(fang)面..
3.1傳感器設計
　　設(she)計更加傳感器.探(tàn)頭電容極闆的基(jī)體在高溫下🔅成型(xíng).增強🐅抗高溫特性(xìng),使核心部件的内(nèi)部結構可靠性更(gèng)高.采用現代流場(chang)🎯分析技術.對傳感(gǎn)器的具✉️體結構以(yi)及安🈲裝位置進一(yi)步改進,增‼️強抗振(zhen)性能,可以消除各(ge)個方向的振動幹(gàn)擾,穩定漩渦,使渦(wō)街流量計在小流(liu)量情況下的抗幹(gàn)擾能✉️力更強,時域(yù)波形毛刺更少♊,頻(pin)城波形更加穩定(dìng).通頻帶能自動🔴跟(gen)蹤,無須電位器或(huo)撥動開關調整頻(pín)帶和靈敏度,無零(líng)漂移,量程自由設(shè)定，真正實現現場(chǎng)免調試.
3.2現場總線(xiàn)設計
　　采用全數字(zì)化現場總線的智(zhi)能渦街流量計.目(mu)前,現場總線技術(shù)是智能儀表的研(yán)究熱點.可以考慮(lü)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻實際需求,增加HART總(zong)線🐆硬件🔱接口,該模(mó)塊采用抗幹擾能(néng)力強,通信速💋率高(gāo),傳送數據精度高(gāo)的電路來完成數(shù)據傳🔞送,它既有RS.485總(zong)線通信的抗幹擾(rǎo)能力強的特點,又(you)具有輸出信号爲(wèi)二線制4~20mA的工❓業标(biao)準,依照相應的通(tōng)訊協議,完成HART協議(yi)數⛱️據鏈路層和應(ying)🔴用層的軟件設計(ji),實現HART總線通信功(gōng)能.
3.3數字信号處理(li)方法的設計
　　應用(yong)更加數字信号處(chu)理方法,能更好地(di)解決幹擾🏃🏻‍♂️問題,提(ti)高流量測量精度(dù),進一-步提高分辨(bian)率.幹擾信号與渦(wō)街信号在同一頻(pín)段的情況已有研(yán)究,當兩種信🔴号的(de)頻率在同一頻段(duàn)且頻率非常靠近(jin)時‼️,研究如何分辨(bian)這兩種信号,及如(ru)何消除噪聲信号(hao)🈚的頻譜對渦街信(xìn)号頻譜的幹涉等(deng).研🔞究信号的分析(xī)方法時,若所☂️選用(yòng)幅頻特性的過渡(du)帶不夠陡,則使得(de)它分💔頻特性不好(hao),會造成頻率分辨(bian)率不夠高.同時，靠(kào)近渦街頻率的諧(xié)波不易濾幹淨,将(jiang)會影響測量精度(dù),因此還需要研究(jiu)函數的選取、分級(jí),濾波㊙️器的幅頻特(tè)性和中心頻率的(de)調整采樣頻率和(he)采🔆樣點數如何确(que)定,以及在軟件編(biān)程中如何優化算(suan)法,使計算量少、内(nèi)存占用量少和💛運(yun)算誤差小,以保證(zheng)體積小.實時性好(hǎo)和計算精度高等(deng)❄️問題.研究強幹擾(rǎo)噪聲是以㊙️建立某(mou)種噪聲的模闆爲(wei)基礎,考慮❄️建立--種(zhǒng)通用的模闆,真正(zheng)解決強幹擾下渦(wo)街信号和噪聲的(de)判别、分離及提取(qǔ)問題,在傳感器條(tiáo)件一定的情況下(xià),考慮利用信号處(chù)理技術擴大量程(cheng)比💰,提高小流量測(ce)量精度,全面.深入(rù)地研🏃‍♀️究流場噪聲(shēng)以及它們對渦街(jiē)信号影響等.
4結語(yu)
　　渦街流量計在流(liu)量測量中應用非(fēi)常廣泛,電容式渦(wō)🤟街流量計具有抗(kàng)振性好、溫度适應(ying)能力強.通用性好(hǎo)等特點.通過對電(dian)容式渦街流量計(jì)測量原理和系統(tong)❓組成的理解.信⛹🏻‍♀️号(hao)處理方法的比較(jiào)及對該💜流量計研(yan)🧡制的關鍵👣技術問(wen)題🤩的分析,可以對(dui)電容式渦街流量(liàng)計有很清楚👨‍❤️‍👨的認(ren)識,有助于對渦街(jiē)流量計的設計與(yu)研究.

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