渦街流量計是上世紀60年代末期發(fā)展起來的一種振動頻率與流速成正比的流量計。針對渦街流量計在低流速時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，設計了一套雙通道渦街流量計信號處理方法，通過測量通道與監(jiān)測通道的配合工作,提升了低流速的測量性能,擴大了渦街流量計測量量程。
理論上,渦街流量計的測量量程比可達幾百比一-1,但由于渦街流量計在測量低流速時產(chǎn)生的旋渦壓力小，初始信號較微弱,同時受現(xiàn)場復雜工況的影響,在進行低流速測量時不能有效進行濾波,容易被噪聲淹沒。目前國內(nèi)的渦街流量計產(chǎn)品量程比多為10:1到15:1。
本文以壓電式渦街流量計為基礎，根據(jù)渦街流量計信號與噪聲的特點,通過改進前置放大電路和濾波處理電路，設計了雙通道渦街流量計信號處理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個工作頻段的流量測量,達到提高測量量程比的目的。
1渦街流量計的信號特點
渦街流量計的振動頻率與流速(流量)之間的關系(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。
工程中常用下式進行流體流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
式中:qv為體積流量;K為儀表系數(shù)。
2雙通道渦街流量計信號處理方法分析
2.1測量通道信號處理方法分析
本設計采用由具有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對原始信號的幅頻特性進行處理。該濾波器的幅頻特性為:
在低頻段，渦街信號經(jīng)過相同轉折頻率的低通濾波器，輸出幅值為常數(shù);在高頻段,低通濾波器轉折頻率后移，使低通濾波器基本放開。圖1為50mm口徑管道液體的頻率段劃分示意圖。此四頻段信號處理方法構成的“測量通道”是整個渦街信號處理體系的主體通道。
2.2監(jiān)測通道信號處理方法分析
為監(jiān)測信號由低頻突變?yōu)楦哳l時的狀況，本文設計了一個由轉折頻率為fL=fmax/2=70Hz的一階低通濾波器與轉折頻率為fH=8*fmin=16Hz的一階高通濾波器組成的帶通濾波器作為“監(jiān)測通道”。圖2為“監(jiān)測通道”的幅頻曲線示意圖。
3渦街流量計信號處理硬件設計
硬件系統(tǒng)主要包括前置放大電路、可控增益調(diào)整電路、測量通道以及監(jiān)測通道單元。各部分電路之間相互協(xié)調(diào)完成整個硬件系統(tǒng)的信號處理。
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放大轉換。如圖3,INA118采用單電源供電,Ref為信號地的參考電平,為+V∞/2。
3.2可控增益調(diào)整電路
可控增益調(diào)整電路由一個階高通濾波電路和一個可調(diào)增益的同相放大器組成。以此來配合測量通道,發(fā)揮儀表的寬量程優(yōu)勢，完成回路的閉環(huán)自動增益調(diào)整。如圖4,U5為256抽頭100kQ2數(shù)字電位器,C43.,C40.,C39電容通過模擬開關選通不同的組合，形成具有隔直和分頻段濾波作用的轉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測量通道
測量通道是整個硬件系統(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，以此完成信號的濾波處理和脈沖整形任務。數(shù)控帶通濾波器由兩個具有相同的轉折頻率的一階低通濾波器和一個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,為一個施密特觸發(fā)器,對經(jīng)過濾波的信號進行觸發(fā)整形，得到包含信號頻率信息的方波信號。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。在本設計中，電源電壓為3.3V,單電源供電，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信號參考點為0~3.3V的中心點1.65V,所以VREF=1.65V;施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.9V.
3.4監(jiān)測通道
如圖7為監(jiān)測通道的濾波電路。電阻U21-P1和電容C2構成一階低通濾波，電阻U21-P0和電容C44構成一階高通濾波。若介質(zhì)為液體,則模擬開關U25關斷;若介質(zhì)為氣體,則選通模擬開關。此處施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.78V。
4實驗結果與分析
本設計在50mm口徑渦街流量計實驗裝置上進行試驗。圖8所示為信號流各測試點波形圖。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經(jīng)前置儀表放大器輸出轉換后，得到的正弦信號,但信號信噪比相對較差;下方的波形為經(jīng)過測量通道濾波輸出之后的波形(TP1),經(jīng)過濾波去噪放大處理,得到的高信噪比信號。圖8b下方波形即是經(jīng)過測量通道濾波輸出之后的波形(TP1);上方波形為經(jīng)過軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(TP4),對于峰峰值大于設定閾值的模擬信號，軟件脈沖整形都能正確輸出方波。圖8c.上方波形即為經(jīng)過軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(TP4),因為有存在小于脈沖整形閾值的信號，致使輸出方波存在缺波現(xiàn)象;下方波形為經(jīng)過功率最大頻率點周期估計之后輸出的波形(TP5),通過軟件濾波最大程度的復原了真實的信號波形，保證了測量精度。
在開發(fā)過程中,渦街流量計的校準檢定是必不可少的。通過校準可以確定渦街流量計的性能指標，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50mm口徑液體渦街流量計采用靜態(tài)容積法進行校準檢定,其流量檢定范圍為1~50m³/h,流量檢定點分別為2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定數(shù)據(jù)如表1所示:
由計算得:儀表系數(shù):9.4179(次/L)線性度:±2.56%
重復性:0.142%基本誤差:2.564%
國內(nèi)渦街流量計在50mm口徑時，對液體的測量范圍一般為3~50m³/h,本文所設計的渦街流量計信號處理方法的測量下限達到了1.2m³/h左右，拓展了2.5倍左右的測量下限,使量程范圍擴大了2.5倍。
由表1的液體檢定數(shù)據(jù)可見，在對中高流速的測量下,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流速點時儀表系數(shù).上升明顯,但是1.2m³/h流速下的3個測試點重復性較好(0.142%),而且通過示波器監(jiān)視頻率輸出波形,看到脈沖輸出均勻,沒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，上位機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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