渦街(jie)流量(liang)計 是(shi)上世(shi)紀60年(nian)代末(mo)期發(fa)展起(qi)來的(de)一種(zhong)振動(dong)頻率(lü)與流(liu)速成(cheng)正比(bi)的流(liu)量計(ji)。針對(dui)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)低流(liu)速時(shi)幅值(zhi)小而(er)高流(liu)速幅(fu)值大(da),且低(di)流速(su)信噪(zao)比低(di)而✏️高(gao)流速(su)信噪(zao)比高(gao)的特(te)㊙️點，設(she)計了(le)一套(tao)雙通(tong)道渦(wo)街流(liu)量計(ji)信♍号(hao)處理(li)方法(fa)，通過(guo)測量(liang)通道(dao)與監(jian)測通(tong)道♌的(de)配合(he)工作(zuo),提升(sheng)了低(di)流速(su)的測(ce)量性(xing)能,擴(kuo)大了(le)渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量量(liang)程。
　　理(li)論上(shang),渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)量程(cheng)比可(ke)達幾(ji)百比(bi)一-1,但(dan)由于(yu)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)測量(liang)低流(liu)速時(shi)産生(sheng)的旋(xuan)渦壓(ya)力小(xiao)，初始(shi)信🆚号(hao)較☀️微(wei)弱,同(tong)時受(shou)現場(chang)複雜(za)工況(kuang)的影(ying)響,在(zai)進行(hang)低✌️流(liu)速測(ce)量時(shi)不🌈能(neng)有效(xiao)進行(hang)濾波(bo),容易(yi)被噪(zao)聲淹(yan)沒。目(mu)前國(guo)内的(de)渦街(jie)流量(liang)計産(chan)品量(liang)程✍️比(bi)多爲(wei)10:1到15:1。
　　本(ben)文以(yi)壓電(dian)式渦(wo)街流(liu)量計(ji)爲基(ji)礎，根(gen)據渦(wo)街流(liu)量計(ji)✉️信号(hao)與噪(zao)聲的(de)特點(dian),通過(guo)改進(jin)前置(zhi)放大(da)電路(lu)和濾(lü)波處(chu)理電(dian)路，設(she)計了(le)雙通(tong)道渦(wo)街流(liu)量計(ji)信号(hao)處理(li)系統(tong)，從而(er)實現(xian)整個(ge)工作(zuo)頻段(duan)的流(liu)量測(ce)量,達(da)到提(ti)高測(ce)量🔆量(liang)程比(bi)的目(mu)的。
1渦(wo)街流(liu)量計(ji)的信(xin)号特(te)點
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)的振(zhen)動頻(pin)率與(yu)流速(su)(流量(liang))之間(jian)的關(guan)系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲(wei)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu);f爲輸(shu)出頻(pin)率;V爲(wei)流體(ti)流速(su);d爲旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)寬度(du)。
　　工程(cheng)中常(chang)用下(xia)式進(jin)行流(liu)體流(liu)量測(ce)量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲(wei)體積(ji)流量(liang);K爲儀(yi)表系(xi)數。
2雙(shuang)通道(dao)渦街(jie)流量(liang)計信(xin)号處(chu)理方(fang)法分(fen)析
2.1測(ce)量通(tong)道信(xin)号處(chu)理方(fang)法分(fen)析
　　本(ben)設計(ji)采用(yong)由具(ju)有1/f²衰(shuai)減(-40dB/dec)特(te)性的(de)低頻(pin)濾波(bo)器和(he)二階(jie)高通(tong)濾波(bo)器(40dB/dec)組(zu)成的(de)帶通(tong)濾波(bo)器來(lai)對原(yuan)始信(xin)号的(de)幅頻(pin)特性(xing)進行(hang)處理(li)。該濾(lü)波器(qi)的幅(fu)頻特(te)性爲(wei):
 
　　在低(di)頻段(duan)，渦街(jie)信号(hao)經過(guo)相同(tong)轉折(she)頻率(lü)的低(di)通濾(lü)波💃🏻器(qi)，輸📧出(chu)幅👉值(zhi)爲常(chang)數;在(zai)高頻(pin)段,低(di)通濾(lü)波器(qi)轉折(she)頻率(lü)🤟後移(yi)，使低(di)通濾(lü)波器(qi)🏃基本(ben)放開(kai)。圖1爲(wei)50mm口徑(jing)管道(dao)液體(ti)的頻(pin)率段(duan)劃分(fen)示意(yi)圖。此(ci)四頻(pin)段❤️信(xin)号處(chu)理方(fang)🌈法構(gou)成的(de)“測量(liang)通道(dao)”是整(zheng)個渦(wo)✉️街信(xin)号處(chu)理體(ti)系的(de)主體(ti)通道(dao)。
 
2.2監測(ce)通道(dao)信号(hao)處理(li)方法(fa)分析(xi)
　　爲監(jian)測信(xin)号由(you)低頻(pin)突變(bian)爲高(gao)頻時(shi)的狀(zhuang)況，本(ben)文設(she)♉計了(le)一💃🏻個(ge)由轉(zhuan)折頻(pin)率爲(wei)fL=fmax/2=70Hz的一(yi)階低(di)通濾(lü)波器(qi)與轉(zhuan)折頻(pin)率爲(wei)fH=8*fmin=16Hz的一(yi)階高(gao)㊙️通濾(lü)波器(qi)組成(cheng)的帶(dai)通濾(lü)波器(qi)作爲(wei)“監測(ce)通道(dao)”。圖2爲(wei)“監測(ce)通道(dao)♈”的幅(fu)頻曲(qu)線示(shi)意圖(tu)。
 
3渦街(jie)流量(liang)計信(xin)号處(chu)理硬(ying)件設(she)計
　　硬(ying)件系(xi)統主(zhu)要包(bao)括前(qian)置放(fang)大電(dian)路、可(ke)控增(zeng)益調(diao)整電(dian)路、測(ce)量通(tong)道以(yi)及監(jian)測通(tong)道單(dan)元。各(ge)部分(fen)電路(lu)之間(jian)相互(hu)協🔅調(diao)完成(cheng)整個(ge)硬❤️件(jian)系統(tong)的信(xin)号處(chu)理。
3.1前(qian)置放(fang)大電(dian)路
　　本(ben)文采(cai)用儀(yi)表放(fang)大器(qi)INA118作爲(wei)前置(zhi)放大(da)電路(lu)，以此(ci)完成(cheng)壓電(dian)傳感(gan)器的(de)輸入(ru)信号(hao)放大(da)轉換(huan)。如圖(tu)3,INA118采用(yong)單電(dian)源供(gong)電,Ref爲(wei)信号(hao)地的(de)參考(kao)電平(ping),爲+V∞/2。
 
3.2可(ke)控增(zeng)益調(diao)整電(dian)路
　　可(ke)控增(zeng)益調(diao)整電(dian)路由(you)一個(ge)階高(gao)通濾(lü)波電(dian)路和(he)一個(ge)🈲可調(diao)增益(yi)的同(tong)相放(fang)大器(qi)組成(cheng)。以此(ci)來配(pei)合測(ce)量通(tong)道,發(fa)揮儀(yi)表的(de)寬量(liang)程優(you)勢，完(wan)成回(hui)路的(de)閉環(huan)自動(dong)增益(yi)調整(zheng)。如圖(tu)4,U5爲256抽(chou)頭100kQ2數(shu)字電(dian)位器(qi),C43.,C40.,C39電容(rong)通過(guo)模拟(ni)開關(guan)選通(tong)不同(tong)的組(zu)合，形(xing)成具(ju)有隔(ge)直♋和(he)分頻(pin)段🚩濾(lü)波作(zuo)用的(de)轉折(she)頻率(lü)可控(kong)的一(yi)階高(gao)通濾(lü)波器(qi)。同相(xiang)放大(da)器的(de)放大(da)倍數(shu)爲1+RP0/R5。
 
3.3測(ce)量通(tong)道
　　測(ce)量通(tong)道是(shi)整個(ge)硬件(jian)系統(tong)的核(he)心部(bu)分，包(bao)括數(shu)控帶(dai)通濾(lü)波器(qi)和硬(ying)件脈(mo)沖整(zheng)形電(dian)路，以(yi)此完(wan)成信(xin)号🍓的(de)濾波(bo)處😍理(li)和脈(mo)沖⛱️整(zheng)形任(ren)務。數(shu)控帶(dai)通濾(lü)波器(qi)由💯兩(liang)個具(ju)有相(xiang)同的(de)轉折(she)頻率(lü)的一(yi)階低(di)通濾(lü)波器(qi)和一(yi)個二(er)階高(gao)通濾(lü)波器(qi)組成(cheng)，如圖(tu)5所示(shi)。
 
　　硬件(jian)脈沖(chong)整形(xing)電路(lu)如圖(tu)6所示(shi),爲一(yi)個施(shi)密特(te)觸發(fa)♈器,對(dui)經㊙️過(guo)濾波(bo)的信(xin)号進(jin)行觸(chu)發整(zheng)形，得(de)到包(bao)含信(xin)号頻(pin)率信(xin)息的(de)方波(bo)信号(hao)。施密(mi)特觸(chu)發器(qi)的高(gao)低觸(chu)發阈(yu)值電(dian)壓由(you)以下(xia)二✏️式(shi)決定(ding):
 
　　式中(zhong)VH爲高(gao)觸發(fa)阈值(zhi);VL爲低(di)觸發(fa)阈值(zhi);VCH爲高(gao)電平(ping)電壓(ya);VCL爲低(di)電平(ping)電壓(ya);VREF爲參(can)考電(dian)壓。在(zai)本設(she)計中(zhong)，電源(yuan)電壓(ya)爲3.3V,單(dan)電源(yuan)🏃🏻‍♂️供電(dian)，因此(ci)VCH=3.3V,VCL=0V;信号(hao)參考(kao)點爲(wei)0~3.3V的中(zhong)心點(dian)1.65V,所以(yi)VREF=1.65V;施密(mi)特觸(chu)發阈(yu)值VH-VL=0.9V.
 
3.4監(jian)測通(tong)道
　　如(ru)圖7爲(wei)監測(ce)通道(dao)的濾(lü)波電(dian)路。電(dian)阻U21-P1和(he)電容(rong)C2構成(cheng)一階(jie)♈低💔通(tong)濾波(bo)，電阻(zu)U21-P0和電(dian)容C44構(gou)成一(yi)階高(gao)通濾(lü)波。若(ruo)介👨‍❤️‍👨質(zhi)爲✏️液(ye)體,則(ze)模拟(ni)開關(guan)U25關斷(duan);若介(jie)質爲(wei)氣體(ti),則選(xuan)通模(mo)拟開(kai)關。此(ci)處施(shi)密特(te)觸發(fa)阈值(zhi)VH-VL=0.78V。
 
4實驗(yan)結果(guo)與分(fen)析
　　本(ben)設計(ji)在50mm口(kou)徑渦(wo)街流(liu)量計(ji)實驗(yan)裝置(zhi)上進(jin)行試(shi)驗。圖(tu)8所🌈示(shi)爲信(xin)号流(liu)各測(ce)試點(dian)波形(xing)圖。圖(tu)8a上方(fang)的波(bo)形爲(wei)前✌️置(zhi)放大(da)後😄.輸(shu)出的(de)波形(xing)(TPO),壓電(dian)傳感(gan)器輸(shu)出的(de)差☁️分(fen)信号(hao)經前(qian)置✏️儀(yi)表放(fang)大器(qi)輸出(chu)轉換(huan)‼️後，得(de)到的(de)正弦(xian)信号(hao),但信(xin)号信(xin)噪比(bi)相對(dui)較💋差(cha);下方(fang)的波(bo)形爲(wei)經過(guo)測量(liang)通道(dao)濾波(bo)輸出(chu)之後(hou)的波(bo)形(TP1),經(jing)過濾(lü)波去(qu)噪㊙️放(fang)大處(chu)理,得(de)到的(de)高信(xin)噪比(bi)信🔅号(hao)。圖8b下(xia)方波(bo)形即(ji)是經(jing)過測(ce)量通(tong)道濾(lü)波輸(shu)出之(zhi)後的(de)波形(xing)(TP1);上方(fang)波形(xing)爲經(jing)過軟(ruan)件脈(mo)沖整(zheng)形👄之(zhi)後輸(shu)出的(de)方波(bo)信号(hao)(TP4),對于(yu)峰峰(feng)值大(da)于設(she)定阈(yu)值的(de)🍉模拟(ni)信号(hao)，軟件(jian)脈沖(chong)整形(xing)都能(neng)正确(que)輸出(chu)方波(bo)。圖8c.上(shang)方‼️波(bo)形即(ji)爲經(jing)過✊軟(ruan)件脈(mo)沖整(zheng)形之(zhi)後輸(shu)出的(de)方波(bo)信号(hao)(TP4),因爲(wei)有存(cun)在小(xiao)于脈(mo)沖整(zheng)形阈(yu)值的(de)信号(hao)，緻使(shi)輸出(chu)方波(bo)存在(zai)缺波(bo)現象(xiang);下方(fang)波形(xing)爲經(jing)過功(gong)率最(zui)大頻(pin)率點(dian)周期(qi)☂️估計(ji)之後(hou)輸💜出(chu)的波(bo)形(TP5),通(tong)過💜軟(ruan)件☂️濾(lü)波最(zui)大程(cheng)度的(de)複原(yuan)了真(zhen)💘實的(de)信号(hao)波形(xing)，保證(zheng)了測(ce)量精(jing)度💃🏻。
 
　　在(zai)開發(fa)過程(cheng)中,渦(wo)街流(liu)量計(ji)的校(xiao)準檢(jian)定是(shi)必不(bu)可少(shao)的。通(tong)過校(xiao)準可(ke)以确(que)定渦(wo)街流(liu)量計(ji)的性(xing)能指(zhi)标💃🏻，尋(xun)找影(ying)響儀(yi)表特(te)性的(de)各種(zhong)因素(su),爲提(ti)高儀(yi)表性(xing)能提(ti)供依(yi)💁據。本(ben)文對(dui)50mm口徑(jing)液體(ti)渦街(jie)流量(liang)計采(cai)用靜(jing)态容(rong)積法(fa)進行(hang)校準(zhun)檢定(ding),其流(liu)量檢(jian)定範(fan)圍爲(wei)1~50m³/h,流量(liang)檢💚定(ding)點分(fen)别爲(wei)2%、10%、20%、40%.91%五點(dian)。具體(ti)檢定(ding)數據(ju)如表(biao)1所示(shi):
 
　　由計(ji)算得(de):儀表(biao)系數(shu):9.4179(次/L)線(xian)性度(du):±2.56%
　　重複(fu)性:0.142%基(ji)本誤(wu)差:2.564%
　　國(guo)内渦(wo)街流(liu)量計(ji)在50mm口(kou)徑時(shi)，對液(ye)體的(de)測量(liang)範圍(wei)一❓般(ban)爲3~50m³/h,本(ben)文所(suo)設計(ji)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)信号(hao)處理(li)方法(fa)的測(ce)量下(xia)限達(da)到了(le)1.2m³/h左右(you)，拓✌️展(zhan)了2.5倍(bei)左右(you)的測(ce)量下(xia)限,使(shi)量程(cheng)範圍(wei)擴大(da)了2.5倍(bei)。
　　由表(biao)1的液(ye)體檢(jian)定數(shu)據可(ke)見，在(zai)對中(zhong)高流(liu)速的(de)測量(liang)下,即(ji)10~50m³/h範✍️圍(wei)内，檢(jian)定的(de)儀表(biao)系數(shu)穩定(ding)在9.2左(zuo)右，但(dan)在1.2m³/h低(di)流速(su)的情(qing)況下(xia)達到(dao)🌈了9.6594,因(yin)此産(chan)生了(le)較大(da)的線(xian)性度(du)和基(ji)本🤩誤(wu)差。在(zai)1.2m³/h流速(su)點時(shi)儀表(biao)系數(shu).上升(sheng)明顯(xian),但是(shi)1.2m³/h流速(su)下的(de)3個測(ce)試點(dian)重複(fu)性較(jiao)好(0.142%),而(er)且通(tong)過示(shi)波器(qi)🥵監視(shi)頻率(lü)輸出(chu)波形(xing),看到(dao)♊脈沖(chong)輸出(chu)均勻(yun),沒有(you)看到(dao)誤捕(bu)捉脈(mo)沖☎️的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻情況(kuang)，因此(ci)考慮(lü)主要(yao)是由(you)于小(xiao)口徑(jing)低流(liu)速下(xia)🌍儀表(biao)系數(shu)本身(shen)的非(fei)線性(xing)造成(cheng)的。通(tong)過，上(shang)位機(ji)後期(qi)的軟(ruan)件非(fei)線性(xing)修正(zheng)，完全(quan)可以(yi)得到(dao)線性(xing)度理(li)想的(de)儀表(biao)系數(shu)。

本文(wen)來源(yuan)于網(wang)絡,如(ru)有侵(qin)權聯(lian)系即(ji)删除(chu)！