摘(zhāi)要:比較了渦(wō)街流量計 的(de)測量方法,選(xuǎn)用了具有靈(líng)敏度高、耐熱(re)性強抗震性(xing)強🔞等優點☔的(de)電容式渦街(jie)流量計,介紹(shào)了其測量原(yuán)理與系統組(zu)📞成.通過科學(xué)的理論推導(dǎo),獲得渦街力(li)、偏轉角與電(diàn)容的關❌系,并(bing)将電容式渦(wō)街流量測量(liàng)信号處理方(fāng)法進行分析(xi)和💃🏻比較.最後(hòu)闡述了電容(róng)式渦街流♋量(liang)計研制的🌈技(ji)術關鍵.
　　渦街(jie)流量計具有(you)精度高、量程(chéng)比較寬、線性(xing)度較好且适(shi)用各種介質(zhi)等一系列的(de)優點,在計量(liàng)檢測中發揮(hui)越來越大💯的(de)作用,有着廣(guang)泛的應用前(qián)景,因此對渦(wo)街流量計的(de)研究具有重(zhòng)要的意義.
　　渦(wō)街流量傳感(gan)器按檢測方(fāng)式主要有熱(rè)敏式、應力式(shì)、電容式等.熱(re)敏式渦街傳(chuan)感器靈敏度(du)高,适宜低溫(wen)、低密度的氣(qì)體測✨量,但易(yì)受流體中污(wū)物的影響或(huò)損壞.應力式(shi)渦街傳🌈感器(qi)具有響應快(kuài)、信号強、工藝(yi)性好、制造成(cheng)本低等優點(dian),但抗震性相(xiàng)對較差,信🔞噪(zao)比較低,，在低(dī)密度、低流速(su)環境振動大(da)的場合不💛宜(yi)使用電容式(shi)⭐渦街流量計(ji)與其他渦街(jie)流量計相比(bi),具有靈敏度(dù)高、耐熱性強(qiang)、抗震性強等(deng)優點,因而在(zài)工業企業中(zhong)得到❄️了廣泛(fan)的應用.
1電容(róng)式渦街流量(liang)測量原理與(yǔ)系統組成
　　渦(wō)街流量計是(shì)利用流體振(zhèn)蕩原理來測(ce)量流量或流(liu)速.在流🏃‍♂️體中(zhōng)放置一個具(ju)有均勻斷面(miàn)形狀的擋體(ti)，在擋體的兩(liang)側會交替産(chǎn)生一種有規(gui)律的漩渦♌,并(bìng)向下遊流去(qù),非對稱地形(xíng)成🛀🏻二列漩渦(wo)列,即卡門渦(wo)街.利用這種(zhong)漩渦産生的(de)規律,根據漩(xuán)渦産生的🐪頻(pin)率ƒ,通過
 
　　其中(zhōng),ʋ表示流體流(liú)速;d表示漩渦(wo)發生體特征(zheng)寬度;m表示♍漩(xuan)渦😘發生✉️體兩(liang)側弓形面積(ji)與管道橫截(jie)面面積之比(bǐ);Q表示💰體積流(liú)量;D表示管道(dao)内徑;k表示流(liu)量計儀表系(xi)數.斯特哈爾(er)數爲無量綱(gāng)參數,它與旋(xuan)渦發生體形(xíng)狀及雷諾數(shu)有💛關，在雷諾(nuo)🍉數的範圍🐆爲(wèi)2x104~7X106時,s;可視🛀爲常(cháng)數,即儀🐅表正(zheng)常工作範圍(wei).
　　電容式渦街(jiē)傳感器的檢(jiǎn)測元件是一(yī)-根剛性空心(xīn)圓杆,當渦街(jiē)⛷️作用在圓杆(gan)底部時,剛性(xìng)圓杆會繞着(zhe)固定點偏轉(zhuan).圓杆.上部作(zuò)爲電容的-一(yī)個極闆,，與另(ling)🔆外兩個電極(jí)組成差動電(diàn)容,差動電容(róng)🚶值會随圓杆(gan)擺動而改變(biàn),其規律爲與(yǔ)渦街發生同(tóng)頻率的周期(qī)性變化.轉換(huàn)💃🏻器檢測電容(róng)🚶的變化,并轉(zhuǎn)換爲脈沖信(xìn)号,該脈沖頻(pin)率就是渦街(jiē)的發生頻率(lü),與流量大小(xiao)成正比.轉換(huan)器最終輸出(chū)流量大小爲(wèi)4~20mA模拟信号或(huò)💞通過HART現場總(zong)線輸出數字(zì)信号.電容傳(chuan)⭐感器如圖1所(suǒ)示，.
 
　　渦街力與(yu)偏轉角的關(guān)系是根據轉(zhuǎn)動的物體遵(zun)循牛頓轉動(dong)定律得出,通(tōng)過必要的理(lǐ)論推導,獲得(de)渦街力、偏轉(zhuǎn)🙇‍♀️角與電容☎️的(de)關系爲
 
　　其中(zhōng)，T表示物體所(suǒ)受到的力矩(jǔ);J表示物體轉(zhuǎn)動慣量;θ表示(shì)角位移;C表示(shì)粘性摩擦系(xi)數.
渦街力與(yǔ)流速之間的(de)關系爲
 
　　其中(zhong)，F表示渦街産(chǎn)生的交替推(tuī)力，T=F*R;CL表示無量(liang)綱系數;ʋ表示(shi)流體的流速(sù);Q表示流體的(de)密度;D表示管(guan)道内徑;d表示(shi)漩渦發生🍉體(tǐ)迎流面寬度(dù).
最後偏轉角(jiao)與電容的關(guan)系爲
 
　　其中,△C表(biao)示差動電容(róng);Ɛ表示電容介(jiè)質系數;b表示(shi)極闆寬度;δ表(biao)🔞示🔅兩極闆的(de)間距.
　　電容式(shì)渦街流量計(jì)由傳感器和(hé)轉換器兩部(bu)分組成.傳🔴感(gǎn)器包括漩渦(wo)發生體(阻流(liú)體)檢測元件(jian)、儀表表體✔️等(děng);轉換器包括(kuò)電荷檢測電(diàn)路、濾波整形(xíng)電路、微處理(li)器、D/A轉換電路(lu)、輸出接口電(dian)路、顯示通信(xin)電路、端子、支(zhī)架和防護罩(zhào)等.
2電容式渦(wō)街流量測量(liàng)計信号處理(li)方法比較
　　渦(wo)街流量信号(hào)由兩部分組(zu)成:--是由流速(sù)産生的正弦(xian)渦街信🌍号✔️,1二(èr)是幹擾引起(qǐ)的噪聲信号(hào),因此渦街信(xìn)号遠非理想(xiang)的正弦波信(xìn)号,而是一個(gè)混有強噪聲(sheng)的混合信号(hào).現在，已經提(tí)出了很多種(zhǒng)處理渦街⭐信(xin)号的方法,用(yong)來提取流量(liàng)信号的頻率(lǜ)✂️.
2.1譜分析信号(hào)處理方法
　　建(jiàn)立噪聲模闆(pan)和信号模闆(pǎn)的基礎上,用(yong)譜分析方法(fa)消除💁渦街📱流(liu)量計中的強(qiáng)噪聲是近年(nian)來研究熱點(diǎn)之💔一,利用該(gai)🏃‍♂️方法解決📧強(qiang)幹擾條件下(xia)渦街流量計(jì)測量問題.首(shou)☀️先将頻率測(ce)量範圍分段(duan),在不同頻段(duàn)建立噪🈲聲模(mó)闆,然🌈後用混(hùn)合信号的功(gong)率譜與噪💃🏻聲(shēng)模闆,提取噪(zao)聲,再利用插(cha)值法消除🈲噪(zao)聲,最後對✉️消(xiāo)除噪聲的信(xin)号進行頻譜(pǔ)分析,計算出(chu)頻率，利用頻(pin)譜校正法提(tí)高計算精度(du)[31.但是,噪聲情(qíng)況各種各樣(yang).不易獲得噪(zào)聲的所有模(mo)闆.經典譜分(fen)析算法對正(zhèng)态分布的白(bái)噪聲有很好(hao)的抑制作用(yòng)，方法⛹🏻‍♀️直觀,容(róng)易編程實現(xian).但㊙️在非整周(zhōu)期采樣時誤(wu)🈲差較大,需要(yào)進行頻譜校(xiao)正.而現代譜(pǔ)分析方法更(gèng)适合短序♉列(liè)的譜分析,對(duì)噪聲抑制能(néng)力強,精度高(gao),但建模階數(shu)對功率譜計(ji)算的結果有(yǒu)影響,有時還(hai)存在譜線分(fen)裂現象.
2.2自适(shì)應濾波信号(hào)處理方法
　　采(cǎi)用基于最小(xiao)均方自适應(yīng)算法的現代(dai)譜分析處理(lǐ)🈲流量信号.自(zì)适應濾波方(fāng)法采用十抽(chōu)一濾波器和(hé)高低通㊙️濾波(bo)器.自适應陷(xian)波針對不同(tóng)頻率的信号(hao)建立不同參(can)數的模型,在(zài)非整周期采(cai)樣、諧波和噪(zao)聲千擾情況(kuang)下頻率測量(liang)都能達到較(jiào)好的精度⁉️,其(qi)不足之處是(shì)采樣點數🔅多(duō),計算時間長(zhang),實時性差.如(ru)果流量信号(hao)❤️發生突變,而(er)采🔞樣頻率沒(mei)有及時跟💃蹤(zōng),會造成㊙️較大(dà)的測量誤差(chà).由漩渦發生(sheng)體、熱線探針(zhen)、前置處理電(dian)路和APPLE微機構(gòu)成測量系統(tǒng),驗證了譜分(fen)析方法用于(yu)渦街流量計(ji)信号處理的(de)可行性,但✂️是(shì),這種方法對(dui)諧波幹擾的(de)抑制能力較(jiào)差.
2.3熵譜法信(xìn)号處理方法(fa)
　　對周期圖譜(pu)分析和基于(yú)Burg的現代譜分(fen)析方法一最(zui)大熵譜法,用(yòng)于渦街流量(liàng)計的信号處(chù)理進行了研(yán)究,發現周期(qi)圖譜分析方(fāng)✨法對長序列(liè)的計算精度(du)🏃🏻高,對諧波的(de)抑制能力強(qiang),處理非過零(líng)采樣的數據(ju)時,計算精度(dù)不受影💛響,基(ji)于Burg算法的譜(pǔ)分✌️析方法,先(xiān)☁️建立自回歸(guī)🍓模型,再計算(suàn)功率譜'51.采用(yòng)Burg算法,以正反(fǎn)向線性預測(cè)誤差能量的(de)平方和最小(xiǎo)爲準則,來估(gu)計自回歸模(mo)型的系數,特(tè)别易于短序(xu)列的譜分析(xi),分辨率較高(gao).進行仿真後(hòu),發現Burg算法抑(yi)制❄️随機噪聲(sheng)能力強,但抑(yi)制确定性噪(zao)聲,如渦街産(chǎn)生的低頻擺(bǎi)💋動噪聲的能(neng)力比周期圖(tu)法差.
2.4DSP軟硬件(jiàn)結合信号處(chu)理方法
　　采用(yong)DSP芯片将周期(qī)圖譜分析法(fǎ)和數字信号(hao)處理器應用(yòng)于渦街流量(liàng)計的信号處(chu)理,研制了硬(yìng)、軟件系統計(ji)算流量信号(hào)的頻率,取得(dé)了不錯的效(xiao)果.但是,采用(yong)DSP芯🔞片,首先是(shi)價格⛹🏻‍♀️較高,其(qi)次在市電供(gòng)給困難🈲的場(chǎng)合,如野外、井(jǐng)下、長期無人(rén)✂️值守的環境(jìng)下,就不能采(cai)用DSP芯片😍作爲(wei)處理器了,因(yin)爲現有的DSP芯(xin)片功耗至少(shao)有幾十毫安(an).基于FFT的經典(dian)譜分析方法(fǎ),直接用傅立(li)葉變換對有(yǒu)限時間序列(liè)計算功率譜(pu)，求取信号頻(pin)率.該方法能(neng)有效抑制諧(xie)波幹擾,但在(zai)非整周🚶期采(cǎi)樣時,有較大(da)的洩漏誤差(chà)👈,必須利用頻(pín)譜校正方法(fǎ)來提高測量(liàng)精度.
2.5小波變(bian)換信号處理(lǐ)方法
　　小波變(bian)換可以作爲(wei)--組帶通濾波(bo)器,用來對渦(wō)街傳感器信(xìn)号✏️進行濾波(bo),去除噪聲,以(yi)便正确提取(qǔ)頻率信息☁️.利(lì)用小波變換(huan)的低☁️通和帶(dài)通濾波特性(xing),可以把原始(shi)信号中的不(bú)同頻率的信(xin)号成♋分分離(lí)出來🌈16].小波變(bian)換可看成是(shi)⛱️--組帶通濾🔞波(bō)器,具有低頻(pin)處分辨率高(gāo)、高頻處分辨(bian)率低的特點(dian),但功耗和實(shi)時性需要進(jin)一步✂️探讨.
2.6數(shu)字濾波器信(xin)号處理方法(fǎ)
　　數字濾波器(qi)的設計方法(fǎ)很多,最通用(yong)的方法是利(lì)用已經很成(cheng)熟的模拟濾(lü)波器的設計(jì)方法,如Butteworh濾波(bō)🙇🏻器、Chebyshev濾波器、橢(tuo)圓濾波器等(deng).采用Buttenworth濾波、低(dī)通濾波、中位(wèi)數濾波相結(jie)合的濾波方(fang)法對原始的(de)渦街信号進(jìn)行處理,該方(fang)法能滿☂️足低(dī)通濾波要求(qiu),通過合理選(xuǎn)擇窗口長度(du)可以有效濾(lü)除脈沖噪聲(shēng)👨‍❤️‍👨(".但是在實際(jì)應用時,信号(hao)需要經過三(san)級濾波,存在(zai)計算量大、實(shi)♻️時性較差✊的(de)問題.
3電容式(shi)渦街流量計(ji)研制的關鍵(jiàn)技術
　　綜合國(guo)内外研究狀(zhuàng)況,渦街流量(liàng)計研究的發(fa)展的關鍵技(ji)🔆術主要集中(zhong)在以下方面(miàn)..
3.1傳感器設計(jì)
　　設計更加傳(chuán)感器.探頭電(diàn)容極闆的基(ji)體在高溫下(xia)📐成型.增強抗(kang)高溫特性,使(shi)核心部件的(de)内部結構可(ke)靠性更高👈.采(cǎi)用現代流場(chang)分析技術.對(dui)傳感器的具(jù)體結構以及(ji)安裝位置進(jìn)一步改進,增(zeng)強抗振性能(neng),可以消除各(ge)個方向的振(zhèn)動幹擾,穩定(ding)漩渦,使渦街(jiē)流量計在小(xiao)流量情況下(xià)✊的抗幹擾能(neng)力更強,時域(yu)🌐波形毛刺更(geng)少🚩,頻城波形(xing)更加穩定.通(tōng)頻帶能自動(dong)㊙️跟蹤,無須電(diàn)位器或撥動(dòng)開關調整頻(pin)帶和靈敏度(dù),無零漂移,量(liang)程自由設定(dìng)，真正實現現(xian)場♊免調試.
3.2現(xiàn)場總線設計(jì)
　　采用全數字(zì)化現場總線(xiàn)的智能渦街(jie)流量計.目前(qian),現場總線❤️技(jì)術是智能儀(yi)表的研究熱(rè)點.可以考慮(lü)實際♋需求,增(zēng)加HART總線硬件(jiàn)接口,該模塊(kuai)采用抗幹擾(rao)能力強,通信(xìn)速率高,傳送(song)數據🧑🏽‍🤝‍🧑🏻精度高(gao)的電路來完(wán)成數據傳送(sòng),它既有RS.485總線(xiàn)通信的抗幹(gan)擾能力強的(de)特點,又具有(yǒu)輸出信号爲(wèi)二線制4~20mA的工(gōng)業标準,依照(zhào)☂️相應的通訊(xun)協議,完成HART協(xie)議數據鏈路(lu)層和應用層(ceng)✂️的軟件設計(ji),實現HART總線通(tōng)信功能.
3.3數字(zì)信号處理方(fang)法的設計
　　應(yīng)用更加數字(zi)信号處理方(fang)法,能更好地(di)解決幹擾☎️問(wèn)🔴題,提高💛流量(liàng)測量精度,進(jin)一-步提高分(fèn)辨率.幹擾信(xin)号與渦街信(xin)号在♍同一頻(pin)段的情況已(yi)有研究,當兩(liang)種信号的頻(pín)率在同一頻(pín)段且頻率💰非(fei)常靠近時,研(yán)究如何☁️分辨(biàn)這兩🌐種信号(hao),及⛷️如何消除(chu)噪聲信号的(de)頻譜對渦街(jie)信号頻譜的(de)幹涉等.研究(jiū)信号的分析(xi)方法時,若所(suo)選用幅頻特(te)性的過渡帶(dài)不夠陡,則使(shi)得它分💋頻特(tè)性不好,會造(zào)成頻率分辨(bian)率不夠高.同(tóng)時，靠近渦街(jiē)頻率的諧波(bō)不易濾幹淨(jìng),将會影響測(cè)量精度,因此(ci)還需要研究(jiu)函數的選取(qu)、分級📱,濾波器(qi)的幅頻特性(xing)和中心頻率(lǜ)的調整采樣(yàng)頻率和采🌏樣(yàng)點數如何确(què)定,以及在軟(ruan)件編程中如(rú)何優化算♉法(fa),使計算量少(shǎo)、内存占用量(liang)少和🌈運算誤(wù)差小,以保證(zheng)體積小👌.實時(shí)性好和計算(suan)精度‼️高等問(wèn)題.研究強幹(gàn)擾噪聲是以(yǐ)建立某種噪(zào)聲的模闆爲(wèi)基礎,考慮建(jian)立--種通用的(de)模闆⁉️,真正解(jie)決強幹擾下(xia)渦街信号和(hé)噪聲的判别(bie)、分離及提取(qu)問題,在傳感(gan)器條件一定(dìng)的情況下,考(kao)慮利用信♌号(hào)處理技術擴(kuò)大量程比,提(ti)高小流量測(cè)量精度,全面(mian).深入地研究(jiu)流場噪聲以(yi)及它們🙇‍♀️對渦(wo)街信号影響(xiǎng)🐕等.
4結語
　　渦街(jiē)流量計在流(liú)量測量中應(ying)用非常廣泛(fan),電容式📱渦街(jiē)流量計具有(yǒu)抗振性好、溫(wen)度适應能力(lì)強.通用性好(hao)♊等特點.通過(guò)對電容💰式渦(wō)街流量計測(ce)量原理和系(xi)統❤️組成的理(lǐ)解.信号處理(lǐ)方法的比較(jiào)及對該流量(liàng)計研制的關(guān)鍵技術問題(tí)的分析,可以(yi)對電容式渦(wō)街流量計有(yǒu)很清楚的認(ren)識,有助于對(dui)渦街流量計(jì)的設計🤩與研(yan)究.

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