摘要(yao):比較了渦(wo)街流量計(ji) 的測量方(fang)法,選用了(le)具有靈敏(min)度高、耐熱(re)性強抗震(zhen)性強等優(you)🤞點的電容(rong)式渦街流(liu)量計,介紹(shao)了其測量(liang)原理㊙️與系(xi)統組成.通(tong)過科🛀🏻學的(de)理論推導(dao),獲得渦街(jie)力、偏轉角(jiao)與電容的(de)關🌐系,并将(jiang)電容式渦(wo)街流量測(ce)量信号處(chu)理方法進(jin)行分析和(he)比較.最後(hou)闡述了電(dian)容式渦街(jie)流量計研(yan)制的技術(shu)關鍵.
　　渦街(jie)流量計具(ju)有精度高(gao)、量程比較(jiao)寬、線性度(du)較好且适(shi)用各種介(jie)質等一系(xi)列的優點(dian),在計量檢(jian)測中發揮(hui)越來越大(da)的作用,有(you)着廣泛的(de)應用前景(jing),因此對渦(wo)街流量計(ji)的研究具(ju)有重要的(de)意📞義.
　　渦街(jie)流量傳感(gan)器按檢測(ce)方式主要(yao)有熱敏式(shi)、應力式、電(dian)容式等.熱(re)敏式渦街(jie)傳感器靈(ling)敏度高,适(shi)宜低溫、低(di)🔴密度的氣(qi)體測⛹🏻‍♀️量,但(dan)易受流體(ti)中污物的(de)影響✂️或損(sun)壞.應力式(shi)渦街傳感(gan)器具有響(xiang)應⭕快、信号(hao)強、工藝性(xing)好、制造成(cheng)本低等優(you)點,但抗震(zhen)性相對較(jiao)差,信✂️噪比(bi)較低,，在低(di)密度、低流(liu)💃🏻速環境振(zhen)動💔大的場(chang)合不🧑🏾‍🤝‍🧑🏼宜使(shi)用電容式(shi)🐇渦街流量(liang)計與其他(ta)渦街流量(liang)☎️計相比,具(ju)有靈敏度(du)高、耐熱性(xing)強、抗震性(xing)強等優點(dian),因而🌈在🈲工(gong)業企業中(zhong)得到了廣(guang)泛的應用(yong).
1電容式渦(wo)街流量測(ce)量原理與(yu)系統組成(cheng)
　　渦街流量(liang)計是利用(yong)流體振蕩(dang)原理來測(ce)量流量或(huo)流速☀️.在流(liu)體中放置(zhi)一個具有(you)均勻斷面(mian)形狀的擋(dang)體，在擋體(ti)的兩側會(hui)交替産生(sheng)一種有規(gui)律的漩渦(wo)🚶‍♀️,并向下遊(you)流去,非對(dui)稱地形成(cheng)㊙️二列漩渦(wo)列,即卡門(men)⭐渦街.利用(yong)❌這種漩渦(wo)産生的規(gui)律,根據漩(xuan)渦産生的(de)👉頻率ƒ,通過(guo)
 
　　其中,ʋ表示(shi)流體流速(su);d表示漩渦(wo)發生體特(te)征寬度;m表(biao)示📧漩❤️渦發(fa)生🈲體兩側(ce)弓形面積(ji)與管道橫(heng)截面面積(ji)之比;Q表示(shi)體積🐕流量(liang);D表示管道(dao)内徑;k表示(shi)流量計儀(yi)表系數.斯(si)特哈爾數(shu)爲無量綱(gang)參數,它👨‍❤️‍👨與(yu)旋渦發生(sheng)☔體形狀及(ji)雷諾數有(you)關，在雷諾(nuo)數的範圍(wei)爲2x104~7X106時,s;可視(shi)爲常數,即(ji)儀表正常(chang)工作☎️範圍(wei).
　　電容式渦(wo)街傳感器(qi)的檢測元(yuan)件是一-根(gen)剛性空心(xin)🈲圓杆,當渦(wo)👣街作用在(zai)圓杆底部(bu)時,剛性圓(yuan)杆會繞着(zhe)💚固定點偏(pian)轉.圓杆.上(shang)🔴部作爲電(dian)容的-一個(ge)極闆,，與另(ling)外兩個🌈電(dian)極組成差(cha)動電容,差(cha)動電容值(zhi)會随圓杆(gan)擺動而改(gai)變,其規律(lü)爲與渦街(jie)發生同頻(pin)率的周期(qi)💃🏻性變化.轉(zhuan)換器檢測(ce)電容的變(bian)化,并轉📐換(huan)爲脈沖信(xin)号,該脈沖(chong)頻率🈲就是(shi)渦街的發(fa)生頻率,與(yu)流量🤟大小(xiao)成正比.轉(zhuan)🐉換器最終(zhong)輸出流量(liang)大小爲4~20mA模(mo)拟信号或(huo)通♍過HART現場(chang)總線輸出(chu)數字信号(hao).電容傳❓感(gan)📧器如圖1所(suo)示，.
 
　　渦街力(li)與偏轉角(jiao)的關系是(shi)根據轉動(dong)的物體遵(zun)循牛📧頓✍️轉(zhuan)動定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼律得(de)出,通過必(bi)要的理論(lun)推導,獲得(de)渦街力、偏(pian)轉角與電(dian)容✊的關系(xi)爲
 
　　其中，T表(biao)示物體所(suo)受到的力(li)矩;J表示物(wu)體轉動慣(guan)量;θ表示角(jiao)位✨移;C表示(shi)粘性摩擦(ca)系數.
渦街(jie)力與流速(su)之間的關(guan)系爲
 
　　其中(zhong)，F表示渦街(jie)産生的交(jiao)替推力，T=F*R;CL表(biao)示無量綱(gang)系數;ʋ表☂️示(shi)流體的流(liu)速;Q表示流(liu)體的密度(du);D表示管道(dao)内徑;d表示(shi)漩渦發生(sheng)體迎🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流面(mian)寬度.
最後(hou)偏轉角與(yu)電容的關(guan)系爲
 
　　其中(zhong),△C表示差動(dong)電容;Ɛ表示(shi)電容介質(zhi)系數;b表示(shi)極闆寬㊙️度(du)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻;δ表示兩極(ji)闆的間距(ju).
　　電容式渦(wo)街流量計(ji)由傳感器(qi)和轉換器(qi)兩部分組(zu)成.傳🔱感器(qi)包括漩渦(wo)發生體(阻(zu)流體)檢測(ce)元件、儀表(biao)表體等;轉(zhuan)換器包括(kuo)電荷檢測(ce)電路、濾波(bo)整形電路(lu)🏃‍♂️、微處理💃器(qi)、D/A轉換電路(lu)、輸出接口(kou)電路、顯🆚示(shi)通信電路(lu)🙇‍♀️、端子、支架(jia)和防護罩(zhao)✊等.
2電容式(shi)渦街流量(liang)測量計信(xin)号處理方(fang)法比較
　　渦(wo)街流量信(xin)号由兩部(bu)分組成:--是(shi)由流速産(chan)生的正弦(xian)渦街信🤞号(hao),1二是幹擾(rao)引起的噪(zao)聲信号,因(yin)此渦街信(xin)号🌈遠非理(li)想的正弦(xian)波信号,而(er)是一個混(hun)有強噪聲(sheng)的混合信(xin)号.現在，已(yi)經提出了(le)很多種處(chu)理渦街信(xin)号的方法(fa),用來提👉取(qu)流量信号(hao)的頻率.
2.1譜(pu)分析信号(hao)處理方法(fa)
　　建立噪聲(sheng)模闆和信(xin)号模闆的(de)基礎上,用(yong)譜分析方(fang)法消🐕除渦(wo)🔞街流量計(ji)中的強噪(zao)聲是近年(nian)來研究熱(re)點之一,利(li)用該方法(fa)解決♌強幹(gan)擾條件下(xia)渦街流量(liang)計測量問(wen)題.首先将(jiang)頻率測量(liang)🔞範圍分段(duan),在不同頻(pin)☔段建立噪(zao)聲模闆,然(ran)後用混合(he)信号的功(gong)⛹🏻‍♀️率譜與噪(zao)聲模闆,提(ti)取噪聲,再(zai)利用插值(zhi)法消除✉️噪(zao)聲,最後對(dui)🤞消除噪聲(sheng)的信号進(jin)行頻譜分(fen)🏒析,計算出(chu)頻率，利用(yong)頻譜校正(zheng)法提高🏃🏻‍♂️計(ji)算精度[31.但(dan)是,噪聲情(qing)況各種各(ge)👄樣.不易獲(huo)得噪聲的(de)所有模闆(pan).經典譜⛹🏻‍♀️分(fen)析算法對(dui)正态分布(bu)的白噪聲(sheng)有很好的(de)抑制作用(yong)，方法💃直觀(guan)🆚,容易編程(cheng)實現.但在(zai)非整👉周期(qi)采樣時誤(wu)💋差較大,需(xu)要進行頻(pin)譜校正.而(er)現代⛹🏻‍♀️譜分(fen)析方法更(geng)适合短序(xu)🍉列的💰譜分(fen)析,對噪聲(sheng)抑制👌能力(li)強,精度高(gao),但建模階(jie)數對功率(lü)🈲譜計算的(de)結果有影(ying)響,有時還(hai)存在譜線(xian)分裂現象(xiang).
2.2自适應濾(lü)波信号處(chu)理方法
　　采(cai)用基于最(zui)小均方自(zi)适應算法(fa)的現代譜(pu)分析處理(li)流量信号(hao).自适應濾(lü)波方法采(cai)用十抽一(yi)濾波器✂️和(he)高低通濾(lü)波器.自💃适(shi)應陷波針(zhen)對不同頻(pin)率的信号(hao)建立不同(tong)參數的模(mo)🛀型,在非整(zheng)周期采樣(yang)、諧波和🐇噪(zao)聲千擾🥵情(qing)況下頻率(lü)測量都能(neng)達到較好(hao)的精度,其(qi)不足之處(chu)是采樣點(dian)數多,計算(suan)時間長,實(shi)時性差.如(ru)果流量信(xin)号發生突(tu)變,而采樣(yang)頻率沒有(you)及時跟蹤(zong),會造成較(jiao)大的✏️測量(liang)誤差.由漩(xuan)渦發生體(ti)、熱線探針(zhen)、前置處理(li)電路和APPLE微(wei)機構成測(ce)量系統,驗(yan)證了譜分(fen)析方法用(yong)于渦街流(liu)🌍量計信号(hao)處理的可(ke)行❗性,但是(shi),這種方法(fa)對諧波幹(gan)擾的抑制(zhi)能力較差(cha).
2.3熵譜法信(xin)号處理方(fang)法
　　對周期(qi)圖譜分析(xi)和基于Burg的(de)現代譜分(fen)析方法一(yi)最大熵譜(pu)法,用于渦(wo)街流量計(ji)的信号處(chu)理進行了(le)研究,發🏃‍♂️現(xian)周期圖譜(pu)分✍️析方🚩法(fa)對長序列(lie)的計算精(jing)度高,對諧(xie)波的抑制(zhi)能力⭐強,處(chu)理非過零(ling)采樣的數(shu)據時,計算(suan)精度不受(shou)影響,基于(yu)Burg算法的譜(pu)分析方法(fa),先建立自(zi)回歸模型(xing),再計算功(gong)率譜'51.采用(yong)Burg算法,以正(zheng)反向線性(xing)預測誤🤞差(cha)能量的平(ping)方和最小(xiao)爲準則,來(lai)估計自回(hui)歸模型的(de)系數,特🏃🏻‍♂️别(bie)易于短序(xu)列的譜分(fen)析,分辨率(lü)較高.進行(hang)仿真後,發(fa)現Burg算法抑(yi)制随機噪(zao)聲能力強(qiang),但抑制确(que)定性噪聲(sheng),如渦街産(chan)生的低頻(pin)擺動噪聲(sheng)的能力比(bi)周期圖法(fa)差.
2.4DSP軟硬件(jian)結合信号(hao)處理方法(fa)
　　采用DSP芯片(pian)将周期圖(tu)譜分析法(fa)和數字信(xin)号處理器(qi)應用于㊙️渦(wo)街流量計(ji)的信号處(chu)理,研制了(le)硬、軟件系(xi)統計算流(liu)量信号的(de)頻率,取得(de)了不錯的(de)效果.但是(shi),采用DSP芯片(pian),首先是價(jia)格❌較高,其(qi)次在市電(dian)供給困難(nan)的場合,如(ru)💰野外、井下(xia)、長期無人(ren)值守的環(huan)境下,就不(bu)能采用DSP芯(xin)片作爲處(chu)理器了,因(yin)爲現有的(de)DSP芯片功耗(hao)至少有幾(ji)十毫安.基(ji)于FFT的經典(dian)譜分析方(fang)法,直接用(yong)傅立葉變(bian)👄換對有限(xian)時間💞序列(lie)計算功率(lü)譜，求取信(xin)号🆚頻率.該(gai)方法能有(you)☎️效抑制諧(xie)波幹擾,但(dan)在非整周(zhou)期采樣時(shi),有較大的(de)洩漏誤差(cha),必須利用(yong)頻譜校正(zheng)方法來提(ti)高測量精(jing)度.
2.5小波變(bian)換信号處(chu)理方法
　　小(xiao)波變換可(ke)以作爲--組(zu)帶通濾波(bo)器,用來對(dui)渦街傳感(gan)⭕器信号👨‍❤️‍👨進(jin)行濾波,去(qu)除噪聲,以(yi)便正确提(ti)取頻率信(xin)息.利用✌️小(xiao)波變換的(de)低通和帶(dai)通濾波特(te)性,可以把(ba)原始☎️信号(hao)中的不同(tong)頻率的信(xin)号成分分(fen)離出來🤩16].小(xiao)波變換🈲可(ke)看成是--組(zu)帶通濾💜波(bo)器,具有低(di)頻處分辨(bian)率高、高頻(pin)處分辨率(lü)低的特點(dian),但功耗和(he)實時性⁉️需(xu)要進一步(bu)探讨.
2.6數字(zi)濾波器信(xin)号處理方(fang)法
　　數字濾(lü)波器的設(she)計方法很(hen)多,最通用(yong)的方法是(shi)利用已經(jing)很成熟的(de)模拟濾波(bo)器的設計(ji)方法,如Butteworh濾(lü)波器、Chebyshev濾波(bo)器、橢圓濾(lü)波器等.采(cai)用Buttenworth濾波、低(di)通濾波、中(zhong)位數濾波(bo)相結合的(de)濾波方法(fa)對原始的(de)渦街信号(hao)進行處理(li),該方法能(neng)滿足低通(tong)濾波要求(qiu),通過合理(li)選擇窗口(kou)長度🎯可以(yi)有效濾除(chu)脈沖噪聲(sheng)(".但是在實(shi)際應用時(shi),信号🚩需要(yao)經過三級(ji)濾波,存在(zai)計算量大(da)、實時性較(jiao)差的問題(ti)♊.
3電容式渦(wo)街流量計(ji)研制的關(guan)鍵技術
　　綜(zong)合國内外(wai)研究狀況(kuang),渦街流量(liang)計研究的(de)發展的⛹🏻‍♀️關(guan)鍵技術主(zhu)要集中在(zai)以下方面(mian)..
3.1傳感器設(she)計
　　設計更(geng)加傳感器(qi).探頭電容(rong)極闆的基(ji)體在高溫(wen)下成型.增(zeng)強抗高溫(wen)特性,使核(he)心部件的(de)内部結構(gou)可靠性更(geng)高.采用現(xian)代流場分(fen)析技術.對(dui)傳感器的(de)具體結構(gou)以及安🍉裝(zhuang)位置進一(yi)步改進,增(zeng)強抗振性(xing)能,可以消(xiao)除♈各個方(fang)向的振動(dong)幹擾,穩定(ding)漩渦,使渦(wo)街流量計(ji)在小♋流量(liang)情況下的(de)抗幹擾能(neng)力更強,時(shi)域波形毛(mao)刺更少,頻(pin)城波形更(geng)加穩定.通(tong)頻帶能自(zi)動🚶跟蹤,無(wu)須電位器(qi)或撥動開(kai)關調整頻(pin)帶和靈敏(min)度🔆,無零漂(piao)移,量程自(zi)由設定，真(zhen)正實現現(xian)場免調試(shi).
3.2現場總線(xian)設計
　　采用(yong)全數字化(hua)現場總線(xian)的智能渦(wo)街流量計(ji).目前,現場(chang)總線技術(shu)是智能儀(yi)表的研究(jiu)熱點.可以(yi)考慮👈實際(ji)需求,增加(jia)HART總線硬件(jian)❗接口,該模(mo)塊采用抗(kang)幹擾能力(li)強,通信速(su)率高,傳送(song)數據精度(du)高的電路(lu)來完成數(shu)據傳送,它(ta)既有RS.485總線(xian)通信的抗(kang)幹擾💘能力(li)強的🌈特點(dian),又具有輸(shu)出信号爲(wei)二線制4~20mA的(de)工業标準(zhun),依照相應(ying)的通訊協(xie)議,完成HART協(xie)議數據鏈(lian)路層和應(ying)✂️用層🔞的軟(ruan)件設計,實(shi)現HART總線通(tong)👌信功能.
3.3數(shu)字信号處(chu)理方法的(de)設計
　　應用(yong)更加數字(zi)信号處理(li)方法,能更(geng)好地解決(jue)幹擾問題(ti),提高流量(liang)測量精度(du),進一-步提(ti)高分辨率(lü).幹擾信号(hao)🐅與渦街信(xin)号在同一(yi)🆚頻段的情(qing)況已有研(yan)究,當兩種(zhong)信号的頻(pin)率在同一(yi)頻段㊙️且頻(pin)率♌非常靠(kao)近時,研究(jiu)如何🔴分辨(bian)這兩🈲種信(xin)号,及如何(he)消除噪聲(sheng)信号的頻(pin)譜對渦街(jie)信号頻譜(pu)的幹涉等(deng).研究信号(hao)的分析方(fang)法時,若所(suo)選用幅頻(pin)特性的過(guo)渡帶不夠(gou)陡,則使得(de)它分🙇‍♀️頻特(te)性不好,會(hui)造成頻率(lü)分辨率不(bu)夠高.同時(shi)，靠近渦街(jie)頻率的諧(xie)波不易濾(lü)幹淨,将會(hui)影響測量(liang)精度,因此(ci)還需要研(yan)究函👄數的(de)選取、分級(ji),濾波器的(de)幅頻特性(xing)和㊙️中心頻(pin)率的調整(zheng)采樣頻率(lü)和采樣點(dian)數如何确(que)定,以及在(zai)軟件編程(cheng)中如何優(you)化算法,使(shi)計算量少(shao)、内存占用(yong)量少和運(yun)算誤差小(xiao),以保證體(ti)積小.實時(shi)性好和計(ji)算精度高(gao)等問🐕題.研(yan)究強幹擾(rao)噪聲是以(yi)建立某種(zhong)噪聲的模(mo)闆爲基礎(chu),考🌈慮🔴建立(li)--種通用的(de)模闆,真正(zheng)解決強幹(gan)擾下渦街(jie)信号和噪(zao)聲的判🐆别(bie)、分離及提(ti)取問題,在(zai)傳感🔞器條(tiao)件一👈定的(de)情況下,考(kao)慮利用信(xin)号處理技(ji)術擴大量(liang)程比💜,提高(gao)小流量測(ce)量精度,全(quan)面.深入地(di)研究流場(chang)噪聲以及(ji)它們對渦(wo)街信号影(ying)響等.
4結語(yu)
　　渦街流量(liang)計在流量(liang)測量中應(ying)用非常廣(guang)泛,電容式(shi)渦街流✂️量(liang)計具有抗(kang)振性好、溫(wen)度适應能(neng)力強.通用(yong)性好等特(te)點.通過對(dui)電容式渦(wo)街流量計(ji)測量原理(li)和系統組(zu)成的🐕理解(jie).信💃🏻号處理(li)方法的‼️比(bi)較及對該(gai)🙇‍♀️流量計研(yan)制的關鍵(jian)技術問題(ti)💛的分析,可(ke)📐以對電容(rong)式渦街流(liu)量計有很(hen)清楚的認(ren)識,有助于(yu)對渦街流(liu)量計的設(she)計與研究(jiu).

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