渦街流量(liang)計 是上世紀60年(nian)代末期發展起(qi)來的一種振動(dòng)頻率與🈲流速成(chéng)正比的流量計(ji)。針對渦街流量(liàng)計在低流速時(shi)幅值小🍓而高🈲流(liú)速幅值大,且低(di)流速信噪比低(di)而高流速信噪(zao)比❤️高的特點，設(shè)計了一套雙通(tōng)道渦街流量計(jì)信号處理方法(fǎ)，通過測量通道(dào)與監測通道的(de)配合工作,提升(sheng)了低流速的測(cè)量性能,擴大了(le)渦街流量計測(cè)量量程。
　　理論上(shàng),渦街流量計的(de)測量量程比可(ke)達幾百比一-1,但(dan)由于渦街流量(liang)計在測量低流(liu)速時産生的旋(xuán)渦壓力小，初始(shi)信号較微弱,同(tong)時受現場複雜(zá)工況的影響,在(zài)進行低流速測(ce)量時不能有效(xiào)進行濾波,容易(yi)被噪聲淹沒。目(mù)前國内的渦👣街(jie)流量計産品量(liàng)程比多爲10:1到15:1。
　　本(ben)文以壓電式渦(wo)街流量計爲基(jī)礎，根據渦街流(liu)量計信号👌與噪(zao)🔴聲的特點,通過(guo)改進前置放大(dà)電路和📧濾波處(chù)理電路，設計了(le)雙通道渦街流(liu)量計信号處理(lǐ)系統💞，從而實現(xian)整個工作頻段(duàn)的流量測量,達(dá)到提高測量量(liang)程比的目的。
1渦(wō)街流量計的信(xìn)号特點
　　渦街流(liu)量計的振動頻(pín)率與流速(流量(liàng))之間的關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲斯特勞哈(ha)爾數;f爲輸出頻(pín)率;V爲流體流速(sù);d爲旋渦發生🈚體(tǐ)寬度。
　　工程中常(chang)用下式進行流(liú)體流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲體積流量(liàng);K爲儀表系數。
2雙(shuang)通道渦街流量(liang)計信号處理方(fāng)法分析
2.1測量通(tōng)道信号處理方(fang)法分析
　　本設計(ji)采用由具有1/f²衰(shuāi)減(-40dB/dec)特性的低頻(pín)濾波器和二階(jie)✂️高通濾波🈲器(40dB/dec)組(zu)成的帶通濾波(bō)器來對原始信(xìn)号的幅⛹🏻‍♀️頻特性(xing)進行處理。該濾(lü)波器的幅頻特(te)性爲:
 
　　在低頻段(duàn)，渦街信号經過(guò)相同轉折頻率(lü)的低通濾波💃🏻器(qi)，輸出幅值爲常(chang)數;在高頻段,低(di)通濾波器轉折(shé)頻率後移⭐，使低(di)通濾⚽波器基本(ben)放開。圖1爲50mm口徑(jìng)管道液體的頻(pin)率段劃分示意(yi)圖。此四頻段信(xìn)号處理方法構(gòu)成的“測量通道(dào)”是整個渦💃街信(xìn)号處理體系的(de)主體通道。
 
2.2監測(ce)通道信号處理(li)方法分析
　　爲監(jiān)測信号由低頻(pin)突變爲高頻時(shi)的狀況，本文設(shè)計了一💔個㊙️由轉(zhuan)折頻率爲fL=fmax/2=70Hz的一(yī)階低通濾波器(qì)與轉折頻🐉率爲(wèi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻fH=8*fmin=16Hz的一階高通濾(lü)波器組成的帶(dai)通濾波器作爲(wei)“監測通道”。圖2爲(wèi)“監測通道”的幅(fú)頻曲線示意圖(tu)。
 
3渦街流量計信(xìn)号處理硬件設(she)計
　　硬件系統主(zhǔ)要包括前置放(fang)大電路、可控增(zēng)益調整❌電路、測(cè)量通道以及監(jiān)測通道單元。各(ge)部分電路之間(jian)相互協調完🈲成(chéng)整🥵個硬件系統(tong)的信号處理。
3.1前(qian)置放大電路
　　本(běn)文采用儀表放(fàng)大器INA118作爲前置(zhi)放大電路，以此(ci)完成壓電☔傳感(gǎn)器的輸入信号(hao)放大轉換。如圖(tú)3,INA118采用單☁️電源⛷️供(gong)電📱,Ref爲信号地的(de)參考電平,爲+V∞/2。
 
3.2可(kě)控增益調整電(dian)路
　　可控增益調(diào)整電路由一個(gè)階高通濾波電(dian)路和一個可調(diào)增益的同相放(fang)大器組成。以此(cǐ)來配合測量通(tōng)道,發揮儀表🌈的(de)寬量程優勢，完(wán)成回路的閉環(huán)自動增益調整(zhěng)。如圖4,U5爲256抽頭100kQ2數(shù)字電位器🔴,C43.,C40.,C39電容(rong)通過模㊙️拟開關(guan)選🤞通不同的組(zǔ)合，形成具有隔(ge)直和分頻段濾(lǜ)波作用的🤞轉折(she)頻率可控的一(yī)階高通濾波器(qi)。同相放大器的(de)放大倍數爲1+RP0/R5。
 
3.3測(cè)量通道
　　測量通(tong)道是整個硬件(jiàn)系統的核心部(bù)分，包括數控🐉帶(dài)通濾波器和硬(yìng)件脈沖整形電(dian)路，以此完成信(xìn)号♈的濾㊙️波處理(lǐ)和💞脈沖⛱️整形任(ren)務。數控帶通濾(lü)波器由兩個具(jù)有相同❌的轉折(she)頻率的☎️一階低(di)通濾波器和一(yī)個二階高通濾(lü)波器組成，如圖(tú)5所示。
 
　　硬件脈沖(chong)整形電路如圖(tú)6所示,爲一個施(shi)密特觸發器,對(dui)經過濾波的信(xin)号進行觸發整(zheng)形，得到包含信(xin)🔴号頻率信息的(de)方波信号。施密(mì)特觸發器的高(gāo)低觸發阈值電(dian)壓由以下二式(shi)決定🛀:
 
　　式中VH爲高(gāo)觸發阈值;VL爲低(dī)觸發阈值;VCH爲高(gao)電平電壓;VCL爲🍉低(dī)電🌂平電壓;VREF爲參(can)考電壓。在本設(she)計中，電源電壓(ya)爲3.3V,單✂️電源供電(dian)，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信号參考(kao)點爲0~3.3V的中心點(dian)1.65V,所以VREF=1.65V;施密特觸(chù)發阈值VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tong)道
　　如圖7爲監測(ce)通道的濾波電(dian)路。電阻U21-P1和電容(rong)C2構成一階低通(tong)濾波，電阻U21-P0和電(dian)容C44構成一階高(gāo)通濾波。若介質(zhì)爲液體,則模拟(ni)開關U25關斷;若介(jiè)質爲氣體,則選(xuan)通模拟開關。此(cǐ)處施密特🍉觸發(fā)阈值VH-VL=0.78V。
 
4實驗結果(guo)與分析
　　本設計(ji)在50mm口徑渦街流(liu)量計實驗裝置(zhì)上進行試驗。圖(tú)8所示📱爲🤞信🈲号流(liu)各測試點波形(xíng)圖。圖8a上方的波(bō)形爲前🏃🏻‍♂️置放🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大(dà)後🌈.輸出的波形(xíng)(TPO),壓電傳感器輸(shu)出的差分信号(hào)經前置✉️儀表放(fang)大器輸出轉換(huan)後，得到的正㊙️弦(xian)信号,但信号信(xìn)噪比相對較差(chà);下方的波形爲(wei)經過測量通道(dao)濾波輸出之☔後(hou)的波形(TP1),經🧑🏾‍🤝‍🧑🏼過濾(lǜ)波去噪💛放大處(chù)理,得到的高信(xìn)噪比信号。圖8b下(xia)方波形即是經(jīng)過測量通道濾(lǜ)👉波輸出之後的(de)波形(TP1);上方波形(xíng)爲經過軟件脈(mo)沖整形之後輸(shū)出的方波👈信号(hào)(TP4),對于峰峰值大(dà)于設定阈值的(de)模拟信号，軟件(jiàn)脈沖整☂️形都🤟能(neng)正确輸出方波(bo)。圖8c.上方波形即(jí)爲經過軟件脈(mo)沖整形之後輸(shu)出的方波信🔴号(hào)(TP4),因爲有存在小(xiǎo)于脈沖整形💰阈(yu)值的信号，緻使(shi)輸出方波存在(zài)缺波現象;下方(fang)波形爲經過功(gong)率最大頻率點(dian)周期💁估計之後(hou)輸🏒出的波形(TP5),通(tong)過軟件濾波最(zuì)大程度的複原(yuan)了真實的信号(hào)波形，保證了測(cè)量精度🈲。
 
　　在開發(fa)過程中,渦街流(liu)量計的校準檢(jian)定是必不可少(shǎo)❤️的。通過校準可(ke)以确定渦街流(liu)量計的性能指(zhi)标💞，尋找影響儀(yi)表特性的各種(zhong)因素,爲提高儀(yí)表性能提供依(yi)🏃‍♀️據。本文對50mm口徑(jing)液體渦街流量(liang)👌計采用靜态容(róng)積法進行校準(zhun)檢🌈定,其流量檢(jiǎn)定範圍爲1~50m³/h,流量(liang)檢定點分别爲(wèi)2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定(dìng)數據如表1所示(shì):
 
　　由計算得:儀表(biǎo)系數:9.4179(次/L)線性度(du):±2.56%
　　重複性:0.142%基本誤(wù)差:2.564%
　　國内渦街流(liu)量計在50mm口徑時(shi)，對液體的測量(liàng)範圍一般爲3~50m³/h,本(ben)文所設計的渦(wō)街流量計信号(hào)處理方法的測(cè)量下限達到🏃🏻‍♂️了(le)1.2m³/h左右，拓展了2.5倍(bèi)左右的測量下(xia)限,使量程範圍(wéi)擴大了2.5倍。
　　由表(biǎo)1的液體檢定數(shù)據可見，在對中(zhōng)高流速的測量(liang)下🔞,即10~50m³/h範圍内👨‍❤️‍👨，檢(jiǎn)定的儀表系數(shù)穩定在9.2左右，但(dan)在1.2m³/h低流速的情(qing)況下達到了9.6594,因(yīn)此産生了較大(dà)的線性度和基(ji)本誤差。在1.2m³/h流速(sù)點時儀表系數(shù).上升明顯,但是(shì)1.2m³/h流速下的3個測(cè)試點重複性較(jiào)好(0.142%),而且通過示(shi)波器🐅監視頻率(lǜ)輸出波形,看到(dào)脈沖輸出均🆚勻(yun),沒有看到誤捕(bu)捉脈沖的情況(kuang)，因此考慮主要(yao)是由于小口徑(jìng)低流速下✊儀表(biao)系數本身的非(fei)線性🈲造成的。通(tōng)過，上位機後期(qī)的軟件非線性(xìng)修正，完全可以(yǐ)得到線性度理(lǐ)想的儀表系數(shù)。

本文來源于網(wǎng)絡,如有侵權聯(lián)系即删除！