渦街流量計(ji) 是上世紀60年(nian)代末期發展(zhan)起來的一種(zhong)振動頻率與(yǔ)流速成正比(bǐ)🌈的流量計。針(zhēn)對渦街流量(liàng)計在低流速(su)時幅值小而(ér)高流速幅值(zhí)大,且低流速(su)信噪比低而(ér)高流速🐅信噪(zào)比高的特點(dian)，設計了一套(tao)✍️雙通道渦街(jie)流量計信🙇‍♀️号(hao)處理方法，通(tong)過測🔞量通道(dao)與監測通道(dao)💋的配合工作(zuò),提升了低流(liú)速的測量性(xìng)能,擴大了渦(wō)街流量計測(cè)量量程。
　　理論(lun)上,渦街流量(liàng)計的測量量(liàng)程比可達幾(ji)百比一💰-1,但由(you)于🐇渦街流量(liang)計在測量低(di)流速時産生(sheng)的旋渦😘壓力(li)小，初🌏始信号(hao)較微弱,同時(shi)受現場複雜(zá)工況的影響(xiang),在⚽進行低流(liu)速測量時不(bú)能有效🏃進行(háng)濾波,容㊙️易被(bei)噪聲淹沒。目(mu)前國内的渦(wo)街流量計産(chan)品量程比多(duo)爲10:1到15:1。
　　本文以(yǐ)壓電式渦街(jiē)流量計爲基(ji)礎，根據渦街(jie)流量計信号(hao)與噪聲的特(tè)點,通過改進(jìn)前置放大電(dian)路和濾波處(chu)理電路，設計(ji)了雙通道渦(wō)街流量計信(xin)号處理系統(tong)❤️，從而實現整(zhěng)個工作頻段(duan)的流量測量(liang),達到提高測(cè)量🏃🏻‍♂️量程比的(de)目的。
1渦街流(liu)量計的信号(hao)特點
　　渦街流(liu)量計的振動(dòng)頻率與流速(sù)(流量)之間的(de)關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式中:St爲(wei)斯特勞哈爾(ěr)數;f爲輸出頻(pin)率;V爲流體流(liú)速;d爲⛹🏻‍♀️旋渦發(fa)生體寬度。
　　工(gōng)程中常用下(xià)式進行流體(tǐ)流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲體積流(liú)量;K爲儀表系(xì)數。
2雙通道渦(wō)街流量計信(xìn)号處理方法(fa)分析
2.1測量通(tong)道信号處理(lǐ)方法分析
　　本(běn)設計采用由(yóu)具有1/f²衰減(-40dB/dec)特(tè)性的低頻濾(lǜ)波器和二階(jiē)高通濾波器(qi)(40dB/dec)組成的帶通(tong)濾波器來對(dui)原始信号的(de)幅頻特性進(jìn)🔴行處理。該濾(lü)波器的幅頻(pín)特性爲:
 
　　在低(dī)頻段，渦街信(xin)号經過相同(tong)轉折頻率的(de)低通濾波器(qi)，輸出幅值爲(wei)常數;在高頻(pin)段,低通濾波(bō)器轉折🈲頻率(lü)後移，使低通(tong)濾波器基本(běn)放開。圖1爲50mm口(kǒu)徑管道🙇🏻液體(ti)的👣頻率段劃(hua)分示意圖。此(ci)👈四頻段🥵信号(hào)處理方法構(gou)成的“測量通(tong)道✍️”是整個渦(wō)街信号處⛹🏻‍♀️理(lǐ)體系的🐕主體(tǐ)通道。
 
2.2監測通(tōng)道信号處理(li)方法分析
　　爲(wèi)監測信号由(yóu)低頻突變爲(wei)高頻時的狀(zhuàng)況，本文設計(ji)🐕了一個❤️由轉(zhuan)折頻率爲fL=fmax/2=70Hz的(de)一階低通濾(lü)波器與轉折(shé)頻率爲fH=8*fmin=16Hz的一(yi)階高通濾波(bo)器組成的帶(dai)通濾波器作(zuo)爲“監測通道(dao)”。圖2爲“監測通(tong)道”的幅頻🔞曲(qu)線示意圖。
 
3渦(wo)街流量計信(xin)号處理硬件(jian)設計
　　硬件系(xi)統主要包括(kuo)前置放大電(dian)路、可控增益(yì)調整電路、測(ce)量㊙️通道以及(jí)監測通道單(dān)元。各部分電(diàn)路之間相互(hu)協調完成整(zhěng)個硬件系統(tǒng)的信号處理(li)。
3.1前置放大電(diàn)路
　　本文采用(yong)儀表放大器(qi)INA118作爲前置放(fàng)大電路，以此(ci)完成壓電傳(chuan)感器的輸入(rù)信号放大轉(zhuǎn)換。如圖3,INA118采用(yòng)單電源供電(dian),Ref爲信号地🤩的(de)參考電平,爲(wei)+V∞/2。
 
3.2可控增益調(diào)整電路
　　可控(kong)增益調整電(diàn)路由一個階(jiē)高通濾波電(diàn)路和一個可(ke)調增益的同(tong)相放大器組(zu)成。以此來配(pèi)合測量通道(dao),發揮儀表的(de)寬量程優勢(shì)，完成回路的(de)閉環自動增(zēng)益調整。如圖(tu)4,U5爲256抽頭100kQ2數字(zi)🈲電位器,C43.,C40.,C39電容(róng)通過模拟開(kāi)關選通不同(tóng)的組合，形成(chéng)具有隔直和(he)分頻段🛀濾波(bō)作用的❌轉折(shé)頻率可控的(de)一階高通濾(lü)波器。同相放(fàng)大器的💃放大(da)倍數爲1+RP0/R5。
 
3.3測量(liang)通道
　　測量通(tong)道是整個硬(yìng)件系統的核(hé)心部分，包括(kuò)數控帶通濾(lǜ)波器♈和硬件(jian)脈沖整形電(diàn)路，以此完成(cheng)信号的濾波(bo)處理和脈沖(chòng)整形任務。數(shu)控帶通濾波(bō)器由兩個具(ju)有相同的轉(zhuǎn)折頻率的一(yī)階低通濾波(bo)器和一個二(èr)階高通濾波(bo)器組成，如圖(tu)5所示。
 
　　硬件脈(mò)沖整形電路(lu)如圖6所示,爲(wèi)一個施密特(tè)觸發🤩器,對經(jing)過濾波的信(xìn)号進行觸發(fā)整形，得到包(bao)含信号頻率(lǜ)信息的方波(bō)信号。施密特(tè)觸發器的高(gāo)低觸發阈值(zhí)電壓由以下(xia)二💘式決定⭐:
 
　　式(shì)中VH爲高觸發(fā)阈值;VL爲低觸(chu)發阈值;VCH爲高(gāo)電平電壓;VCL爲(wèi)低電平電壓(yā);VREF爲參考電壓(ya)。在本設計中(zhōng)，電源電壓爲(wèi)3.3V,單電源供電(diàn)，因此👅VCH=3.3V,VCL=0V;信号🤞參(cān)考點爲0~3.3V的中(zhong)心點1.65V,所以VREF=1.65V;施(shi)密特🤞觸發阈(yu)值VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通道(dào)
　　如圖7爲監測(cè)通道的濾波(bo)電路。電阻U21-P1和(he)電容C2構成一(yī)階低通濾波(bo)，電阻U21-P0和電容(rong)C44構成一階高(gao)通濾波。若介(jiè)💯質爲液體,則(ze)模拟開關U25關(guan)斷;若介質爲(wei)氣體,則選通(tong)模拟開關。此(ci)處施密特觸(chù)發阈值VH-VL=0.78V。
 
4實驗(yan)結果與分析(xī)
　　本設計在50mm口(kou)徑渦街流量(liàng)計實驗裝置(zhì)上進行試驗(yàn)。圖8所示爲信(xìn)号流各測試(shi)點波形圖。圖(tú)8a上方的波形(xing)爲前🍉置放大(da)後.輸出的波(bō)形(TPO),壓電傳感(gǎn)器輸出的差(cha)分信号🔆經前(qián)置儀表放大(da)器輸❌出轉換(huàn)後，得到的正(zheng)弦信号,但信(xin)号信噪比相(xiàng)對較差;下方(fāng)的波形爲經(jīng)過測量通道(dao)濾波輸出之(zhi)🔱後的波形(TP1),經(jing)過濾波去噪(zào)🚶放大處理,得(de)到的高信噪(zao)比信号。圖8b下(xia)方波形即是(shi)經過測量通(tong)道濾波輸出(chu)之後的波形(xíng)(TP1);上方波形爲(wèi)經過軟件脈(mo)沖整形之後(hòu)輸出的方波(bō)信号(TP4),對于峰(fēng)峰值大于設(shè)定阈值的模(mo)拟信号，軟件(jiàn)脈沖整形都(dou)㊙️能正确輸出(chu)方波。圖8c.上方(fang)波形即爲經(jing)過軟件脈沖(chòng)整形之後輸(shū)出的方波信(xin)号(TP4),因爲有存(cún)在小于脈沖(chong)💋整形阈值的(de)信号，緻使輸(shu)出方✂️波存在(zài)缺波現象;下(xia)方波形爲經(jīng)過功率最大(da)頻率點⁉️周期(qī)估計之後輸(shū)出的波形(TP5),通(tōng)過軟件濾波(bō)最大程度🚩的(de)複原了真實(shí)🌈的信号波形(xíng)，保證了測量(liàng)精度。
 
　　在開發(fā)過程中,渦街(jie)流量計的校(xiào)準檢定是必(bì)不可少的。通(tong)過校準可以(yi)确定渦街流(liú)量計的性能(néng)指标，尋找影(yǐng)響儀表特性(xing)的各種因素(su),爲提高儀表(biǎo)性能👄提供依(yī)據。本文對50mm口(kou)徑液體渦街(jiē)流量計采用(yòng)靜态容積法(fǎ)進行校準檢(jian)定,其流量檢(jiǎn)定範圍爲1~50m³/h,流(liu)量檢定點分(fèn)别爲2%、10%、20%、40%.91%五點。具(jù)體檢定數據(ju)如表⭕1所示:
 
　　由(yóu)計算得:儀表(biao)系數:9.4179(次/L)線性(xìng)度:±2.56%
　　重複性:0.142%基(jī)本誤差:2.564%
　　國内(nèi)渦街流量計(ji)在50mm口徑時，對(duì)液體的測量(liàng)範圍一般爲(wei)3~50m³/h,本文所設計(ji)的渦街流量(liang)計信号處理(li)方法的🌂測量(liang)下限達到了(le)1.2m³/h左右，拓展了(le)2.5倍左右的測(cè)量下限,使量(liang)程㊙️範圍擴大(da)了2.5倍。
　　由表1的(de)液體檢定數(shù)據可見，在對(dui)中高流速的(de)測量下,即10~50m³/h範(fàn)圍内，檢定的(de)儀表系數穩(wen)定在9.2左右，但(dan)在1.2m³/h低流速的(de)情況下達到(dào)了9.6594,因此産生(shēng)了較大的線(xiàn)性度和基本(běn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼誤差。在1.2m³/h流速(sù)點時儀表系(xì)數.上升明顯(xian),但是1.2m³/h流速下(xia)的3個測試點(dian)重複性較好(hao)(0.142%),而且通過示(shì)波器監視頻(pín)率輸出波形(xíng),看到脈沖輸(shū)出均勻,沒有(you)看到誤捕捉(zhuo)脈沖的情況(kuang)，因此考慮主(zhǔ)要是由于小(xiao)口徑低流速(sù)下儀表系數(shu)本身的非線(xian)性造成的。通(tong)過，上❗位機後(hòu)期的軟件非(fei)線性修正，完(wan)全可以得到(dao)線性度理想(xiǎng)的儀表系數(shù)。

本文來源于(yu)網絡,如有侵(qīn)權聯系即删(shan)除！