摘(zhāi)要:比較了渦(wo)街流量計 的(de)測量方法,選(xuan)用了具有靈(ling)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(shao)了其測量🏒原(yuán)理與系統組(zu)成.通⭐過科學(xue)的理論推導(dao),獲得渦街力(lì)、偏轉🏒角與電(diàn)容的關系,并(bìng)将電容式渦(wo)街流量測量(liàng)信号處理方(fang)法進行分析(xi)和比較.最後(hòu)闡述了電容(rong)式渦街流量(liàng)計研制的⭐技(jì)術關鍵.
　　渦街(jiē)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(huī)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(zhong)要的意義.
　　渦(wō)街流量傳感(gǎn)器按檢測方(fang)式主要有熱(re)敏式、應力式(shì)、電容式等🧑🏽‍🤝‍🧑🏻.熱(rè)敏式渦街傳(chuan)感器靈敏度(dù)高,适宜低溫(wēn)、低密度的氣(qi)體測量,但易(yì)受流體中污(wu)物的影響或(huò)損壞.應力式(shì)渦街傳感器(qi)具有響應快(kuài)、信号強、工藝(yi)性好、制造成(chéng)本低等優點(dian),但抗震性相(xiang)對較差,信噪(zào)比較低,，在低(dī)密度、低流😍速(su)環境振動大(dà)的場合不宜(yí)使用電容式(shi)‼️渦街流量計(ji)與👄其他渦街(jiē)流量✉️計相比(bi),具有靈敏度(dù)高💔、耐熱性😄強(qiáng)、抗震性強等(deng)優點,因而在(zài)工業企業中(zhōng)得到♍了廣泛(fàn)的應用.
1電容(róng)式渦街流量(liàng)測量原理與(yǔ)系統組成
　　渦(wō)街流量計是(shi)利用流體振(zhèn)蕩原理來測(cè)量流量或流(liú)速.在流🍓體中(zhōng)放置一個具(jù)有均勻斷面(mian)形狀的擋體(tǐ)，在擋體的兩(liang)側會交替産(chan)生一種有規(gui)律的漩渦,并(bing)向下🔞遊流去(qù),非對稱地形(xíng)成二列漩🈚渦(wō)列,即卡門♈渦(wo)街.利用這種(zhǒng)漩渦産生的(de)規📞律,根據漩(xuan)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(liǎng)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(dào)内徑;k表示流(liú)量計儀表系(xì)數.斯特哈爾(ěr)數爲無量綱(gang)參數,它與旋(xuán)渦發生體形(xíng)狀及雷諾數(shù)有關，在雷諾(nuo)數的範圍爲(wei)2x104~7X106時,s;可視爲常(chang)數,即儀表正(zhèng)常工作範圍(wéi).
　　電容式渦街(jie)傳感器的檢(jiǎn)測元件是一(yi)-根剛性空心(xin)圓杆,當渦街(jiē)作用在圓杆(gǎn)底部時,剛性(xing)圓杆會繞着(zhe)固定點偏轉(zhuǎn).圓杆.上部作(zuò)爲電容的-一(yī)個極闆,，與另(ling)外兩個電極(ji)組成差動電(diàn)容,差動電容(rong)值會随圓杆(gǎn)擺動而改變(bian),其規律爲與(yu)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(zhuan)💞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(huàn)器最♻️終輸出(chu)流量大小爲(wei)4~20mA模拟信号或(huo)通過HART現場總(zong)線輸出數字(zì)信号.電容傳(chuán)感器如圖1所(suo)❗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(tong)過必要的理(li)論推導,獲得(de)渦街力、偏轉(zhuǎn)角與電容的(de)關系爲
 
　　其中(zhong)，T表示物體所(suǒ)受到的力矩(ju);J表示物體轉(zhuan)動慣量;θ表示(shì)角位💔移;C表示(shi)粘性摩擦系(xì)數.
渦街力與(yǔ)流速之間的(de)關系爲
 
　　其中(zhong)，F表示渦街産(chan)生的交替推(tuī)力，T=F*R;CL表示無量(liàng)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(guǎn)道内徑;d表示(shi)漩渦發生體(ti)迎🐅流面寬度(du).
最後偏轉角(jiao)與電容的關(guān)系爲
 
　　其中,△C表(biǎo)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(biǎo)示兩極闆的(de)間距.
　　電容式(shi)渦街流量計(ji)由傳感器和(hé)轉換器兩部(bu)分組💚成.傳感(gǎn)器包括漩渦(wō)發生體(阻流(liú)體)檢測元件(jiàn)、儀表👈表體等(děng);轉換器包括(kuò)電荷🏃🏻‍♂️檢測電(dian)路、濾波整形(xing)電路、微處理(li)⁉️器、D/A轉換電路(lù)、輸出接口電(diàn)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(liang)計信号處理(li)方法比較
　　渦(wō)街流量信号(hao)由兩部分組(zǔ)成:--是由流速(sù)産生的正弦(xian)渦⛹🏻‍♀️街信号,1二(er)是幹擾引起(qi)的噪聲信号(hao),因此渦街信(xìn)号遠非理想(xiǎng)的正弦波🔞信(xìn)号,而是一個(gè)混有強噪♉聲(shēng)的混🏃‍♂️合信号(hao).現在，已經提(tí)出♈了很多種(zhong)處理渦街信(xin)号的方法,用(yòng)來提取流量(liang)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(yòng)譜分析方法(fǎ)🏒消除渦街流(liú)量計中的強(qiáng)噪聲是近年(nián)來研究熱點(dian)之一,利用該(gāi)方法🏃解決強(qiáng)幹擾條件下(xià)渦街流量計(ji)測量問題.首(shou)先将頻率測(cè)量範圍分段(duan),在不同頻段(duan)建立噪聲模(mó)闆,然後用混(hun)合信号的功(gōng)率譜與噪聲(sheng)模闆,提取🎯噪(zào)聲,再利用插(cha)值法消除🌐噪(zào)聲,最後對消(xiāo)除噪聲的信(xin)🏃‍♂️号進行頻譜(pu)分析,計算出(chu)頻率🏃🏻‍♂️，利用頻(pín)譜校正法提(ti)高計算精度(dù)[31.但是,噪聲情(qing)況各種各樣(yàng).不易獲得噪(zào)聲的✔️所有模(mó)闆.經典譜分(fèn)析算法對正(zhèng)态分布⁉️的白(bai)噪聲有很好(hǎo)的👌抑制作用(yòng)，方法直觀♈,容(rong)易編程實現(xian).但🔞在非整🏃周(zhou)期采樣時誤(wù)🎯差較大,需要(yao)進行頻譜校(xiao)正.而現代🙇🏻譜(pu)分析方法更(gèng)适合短序列(lie)的譜分析,對(dui)噪聲抑制⁉️能(néng)力強,精度高(gao),但建模階數(shu)對功率譜計(jì)算的結果有(yǒu)影響💰,有時還(hái)存在譜線分(fen)裂現象.
2.2自适(shì)應濾波信号(hao)處理方法
　　采(cǎi)用基于最小(xiǎo)均方自适應(ying)算法的現代(dài)譜分析處理(lǐ)流量信号.自(zi)适應濾波方(fāng)法采用十抽(chōu)一濾波器和(hé)高低通濾波(bō)器.自适應陷(xiàn)波針對不同(tong)頻率的信号(hao)建立不同參(can)數的模型,在(zài)非整周期采(cǎi)樣、諧波和❓噪(zào)聲千擾情況(kuang)下頻率測量(liàng)都能達到較(jiao)好的精度,其(qi)不足之處是(shi)采樣點數多(duō),計算時間♌長(zhang),實時性差.如(rú)果流量信号(hào)發生突變,而(ér)采樣頻率沒(méi)有及時跟蹤(zong),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(diàn)路和APPLE微機構(gou)成測量系統(tǒng),驗證了譜分(fèn)析方法用于(yu)渦街流量計(ji)信🛀🏻号處理的(de)可行性,但🌈是(shi),這種方法對(duì)諧波幹擾的(de)抑制能力較(jiao)差.
2.3熵譜法信(xin)号處理方法(fǎ)
　　對周期圖譜(pǔ)分析和基于(yu)Burg的現代譜分(fèn)析方法一最(zui)大熵譜♍法,用(yòng)于渦街流量(liàng)計的信号處(chu)理進行了研(yán)究,發現周期(qī)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(ling)采樣的數據(jù)時,計算精度(dù)不受影響,基(jī)于Burg算法的譜(pu)分析方法,先(xian)🥰建立自回歸(gui)模型,再計算(suàn)功率譜'51.采用(yong)Burg算法,以正反(fan)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(xù)列的譜分析(xi)㊙️,分辨率較高(gao).進行仿真後(hòu),發現Burg算法抑(yì)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(bai)動噪聲的能(néng)力比周期圖(tú)法差.
2.4DSP軟硬件(jian)結合信号處(chù)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(yong)于🈲渦街流量(liang)計的信号處(chù)理,研制了硬(yìng)、軟件系統計(jì)算流量信💜号(hao)的頻率,取得(dé)了不錯的效(xiao)果.但是,采用(yòng)DSP芯片,首先是(shì)價格較高,其(qí)次在市🐕電供(gòng)給困難的場(chǎng)合,如🔆野外、井(jing)下、長期無人(ren)值守的環境(jìng)下,就不能采(cǎi)用DSP芯片作爲(wei)處理器了,因(yin)爲現有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的DSP芯(xīn)片功耗至少(shao)有幾十毫安(ān).基于FFT的經典(diǎn)譜分析方法(fa),直🎯接用傅立(li)葉變換對有(yǒu)限時間序列(liè)計算功率譜(pǔ)，求取信号頻(pín)率.該方法能(neng)有🧡效抑制諧(xié)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(biàn)換信号處理(li)方法
　　小波變(biàn)換可以作爲(wèi)--組帶通濾波(bō)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(li)用🐕小波變換(huan)的低😘通和帶(dai)通濾波特性(xìng),可以🐕把原始(shǐ)信号中的不(bú)同頻率的信(xin)号成🙇‍♀️分分離(li)出來㊙️16].小波變(bian)換🥰可看成是(shi)--組帶通濾波(bō)器,具有低頻(pín)處分辨率高(gāo)、高頻👨‍❤️‍👨處分辨(biàn)率低的特點(diǎn),但功耗和實(shí)時性需要進(jìn)一步探🔞讨.
2.6數(shù)字濾波器信(xìn)号處理方法(fa)
　　數字濾波器(qi)的設計方法(fa)很多,最通用(yòng)的方法是利(li)用已經很成(cheng)熟的模拟濾(lǜ)波器的設計(ji)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(wei)數濾波相結(jié)合的濾波💘方(fāng)法對原始的(de)渦街信号進(jin)行處理,該方(fāng)法能滿足低(di)通濾波要求(qiú),通過合理選(xuǎn)💋擇窗口長度(du)可以有效濾(lǜ)除脈沖噪聲(sheng)(".但是在實際(jì)應用時,信号(hao)需要經過三(sān)級濾波,存在(zai)計算量大、實(shi)時性較差的(de)問題.
3電容式(shì)渦街流量計(ji)研制的關鍵(jian)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(jì)術主要集中(zhong)在以下方面(mian)..
3.1傳感器設計(ji)
　　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(kě)靠性更高👣.采(cǎi)用💋現代流場(chǎng)分析技術.對(dui)傳感器的具(jù)體結構🌍以及(jí)安🙇🏻裝位置進(jin)一步改進,增(zeng)強抗振性能(neng),可以消除各(ge)個方向的振(zhen)動幹擾,穩定(dìng)漩渦,使渦街(jie)🔞流量計在小(xiǎo)流量情況下(xia)的抗幹擾能(neng)力更強,時域(yu)㊙️波形毛刺更(geng)少💜,頻城波形(xíng)更加🧑🏾‍🤝‍🧑🏼穩定.通(tōng)頻帶能🔴自動(dòng)跟蹤,無須電(diàn)位器♌或撥動(dòng)開關調整頻(pín)帶和靈敏度(du),無零漂移,量(liàng)程自由🛀🏻設定(dìng)，真正實現現(xian)場免調試.
3.2現(xian)場總線設計(ji)
　　采用全數字(zì)化現場總線(xiàn)的智能渦街(jie)流量計.目前(qián),現場總✉️線技(jì)🛀術是智能儀(yí)表的研究熱(re)點.可以考慮(lǜ)實際需求,增(zeng)加HART總線硬件(jiàn)接口,該模塊(kuài)采用抗幹擾(rao)🈲能力強,通信(xìn)速率高,傳送(song)數據精度高(gāo)的電路來完(wan)成數據傳‼️送(sòng),它既有RS.485總線(xian)通信的抗幹(gan)擾能力強的(de)📞特點,又具有(yǒu)輸出信号爲(wei)二線制4~20mA的工(gōng)業标準,依照(zhao)相應的通訊(xùn)協議,完成HART協(xié)議數🙇‍♀️據鏈路(lu)層和應用層(ceng)的軟件設計(jì),實現HART總線通(tong)信功能.
3.3數字(zì)信号處理方(fāng)法的設計
　　應(ying)用更加數字(zì)信号處理方(fāng)法,能更好地(di)解決幹擾🈲問(wen)🌐題,提高流量(liàng)測量精度,進(jin)一-步提高分(fen)辨率.幹擾信(xin)号與渦街信(xìn)号在同一頻(pín)段的情況已(yǐ)有研究,當兩(liǎng)種信号的頻(pín)率在同一頻(pin)段且頻率非(fei)常靠近時,研(yan)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(xī)方法時,若所(suǒ)選用幅頻特(tè)性的過渡帶(dai)不夠陡,則使(shi)得它分頻特(tè)性不好,會造(zao)成頻率分辨(biàn)率不夠高.同(tóng)時，靠近渦街(jiē)頻率🚶‍♀️的諧波(bō)不易濾幹🧑🏾‍🤝‍🧑🏼淨(jing),将會影響測(cè)量精度,因此(cǐ)還需要研究(jiū)函👅數的選取(qǔ)、分級🈲,濾波器(qi)的幅頻特性(xing)和中心頻率(lǜ)的調整采樣(yang)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(shao)、内存占用量(liang)少和運算誤(wu)差小,以保證(zheng)體積小⭐.實時(shí)性好和計算(suàn)精度高等問(wèn)☂️題.研究強幹(gàn)擾噪聲是以(yǐ)建立某種噪(zao)聲的模闆爲(wei)基礎,考慮🌍建(jiàn)立--種通用的(de)模闆,真正解(jiě)決💋強幹擾下(xia)渦街信号和(he)噪聲的判别(bié)、分離及提取(qǔ)問題,在傳感(gǎn)器條件一定(ding)的情況下,考(kǎo)慮利用信🚶‍♀️号(hao)處🤟理技術擴(kuò)大量程比,提(ti)高小流量測(ce)量精🏃🏻度,全面(mian).深入地研究(jiū)流場噪聲㊙️以(yǐ)及它們對渦(wō)街信号影響(xiang)等.
4結語
　　渦街(jiē)流量計在流(liu)量測量中應(yīng)用非常廣泛(fan),電容式渦街(jie)流量計具有(you)抗振性好、溫(wen)度适應能力(lì)強.通用性好(hao)💁等特點.通過(guo)對電容✌️式渦(wo)街流量計測(ce)量原理和系(xì)統組成的理(li)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(ti)的分析,可以(yǐ)對電容式渦(wo)街流量計有(yǒu)很清楚的認(ren)識,有助于對(duì)渦街流量計(jì)的設計與🌈研(yan)究.

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