渦街流量計(jì) 是上世紀60年(nian)代末期發展(zhan)起來的一種(zhǒng)振動頻率與(yǔ)🛀流速🐇成正比(bi)的流量計。針(zhen)對渦街流量(liàng)計在低流速(su)⚽時幅值小而(ér)高🔞流速幅值(zhi)大,且低流速(su)信噪比低而(er)高流速信噪(zao)比高的特點(diǎn)，設計了一套(tao)雙通道渦街(jie)流量計信号(hao)處理方法，通(tōng)過測量通道(dào)與監測通道(dao)的配合工作(zuo),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(lùn)上,渦街流量(liàng)計的測量量(liang)程比可達幾(jǐ)百比一-1,但由(you)于㊙️渦⚽街🎯流量(liang)計在測量低(di)流速時産生(shēng)的旋渦壓力(lì)小，初始信🏒号(hào)較㊙️微弱,同時(shi)受現場複雜(za)工況的影響(xiǎng),在🐪進行低📧流(liú)速測✏️量時不(bú)💜能有效進行(háng)濾波,容易被(bèi)噪聲淹沒。目(mù)前🐪國内的渦(wō)街流量計産(chǎn)品量程比多(duō)爲10:1到15:1。
　　本文以(yǐ)壓電式渦街(jiē)流量計爲基(jī)礎，根據渦街(jiē)流量計信号(hào)與噪聲的特(tè)點,通過改進(jin)前置放大電(diàn)路和濾波處(chu)理電路，設計(jì)了雙通道渦(wo)街流量計信(xin)号處理系統(tong)，從而實現整(zheng)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(liú)量計的信号(hào)特點
　　渦街流(liú)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(wèi)斯特勞哈爾(ěr)數;f爲輸出頻(pín)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(xia)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(xi)數。
2雙通道渦(wo)街流量計信(xìn)号處理方法(fǎ)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(you)具有1/f²衰減(-40dB/dec)特(tè)性的低頻濾(lü)波器和二階(jiē)高通濾波器(qì)(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(jin)行處理。該濾(lü)波器的幅頻(pín)特性爲:
 
　　在低(dī)頻段，渦街信(xìn)号經過相同(tóng)轉折頻率的(de)低通濾波器(qì)，輸出幅✂️值爲(wei)常數;在高頻(pín)段,低通濾波(bo)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(tǐ)的頻率段劃(huà)分示意圖。此(ci)四頻段信号(hao)處理方法構(gòu)成的“測量通(tōng)道”是整個渦(wō)街信号處理(lǐ)體系的主體(ti)通道。
 
2.2監測通(tong)道信号處理(lǐ)方法分析
　　爲(wei)監測信号由(you)低頻突變爲(wèi)高頻時的狀(zhuàng)況，本文設✔️計(jì)了一個由✨轉(zhuǎn)折頻率爲fL=fmax/2=70Hz的(de)一階低通濾(lü)波器與轉折(she)頻率爲fH=8*fmin=16Hz的一(yi)😘階高通濾📱波(bō)器組成的帶(dài)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(xìn)号處理硬件(jian)設計
　　硬件系(xi)統主要包括(kuò)前置放大電(dian)路、可控增益(yi)調整電路、測(cè)量🌈通💃🏻道以及(ji)監測通道單(dān)元。各部分電(diàn)路之間相👄互(hu)協調完成整(zheng)個硬件系統(tong)的信号處理(lǐ)。
3.1前置放大電(diàn)路
　　本文采用(yòng)儀表放大器(qì)INA118作爲前置放(fang)大電路，以此(cǐ)完成⛱️壓電傳(chuan)感器的輸入(ru)信号放大轉(zhuǎn)換。如圖3,INA118采用(yong)單⭕電源供電(diàn),Ref爲信号地的(de)參考電平,爲(wei)+V∞/2。
 
3.2可控增益調(diao)整電路
　　可控(kong)增益調整電(dian)路由一個階(jie)高通濾波電(diàn)路和一個可(ke)調♻️增益🏒的同(tóng)相放大器組(zǔ)成。以此來配(pei)合測量通道(dào),發揮儀表的(de)寬量程優勢(shi)，完成回路的(de)閉環自動增(zeng)益調整。如圖(tú)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(tong)的組合，形成(cheng)具有隔直和(he)分頻段🆚濾波(bo)作用的✊轉折(shé)頻率可控的(de)一階高通濾(lü)波器。同👉相放(fang)大器的放大(dà)倍數爲1+RP0/R5。
 
3.3測量(liang)通道
　　測量通(tōng)道是整個硬(ying)件系統的核(he)心部分，包括(kuò)數控帶通濾(lǜ)波器和硬件(jian)脈沖整形電(dian)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(bo)器由兩個具(jù)有相同的轉(zhuǎn)折頻率的一(yī)階低通濾波(bō)器和一個二(er)階高通濾波(bo)器組成，如👅圖(tú)5所示。
 
　　硬件脈(mò)沖整形電路(lù)如圖6所示,爲(wei)一個施密特(te)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(lü)信息的方波(bo)信号。施密特(tè)觸發器的高(gāo)低觸發阈值(zhi)電壓由以下(xià)二式決定:
 
　　式(shi)中VH爲高觸發(fa)阈值;VL爲低觸(chu)發阈值;VCH爲高(gāo)電平電壓;VCL爲(wei)低電平電壓(ya);VREF爲參考電壓(yā)。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(zhōng)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(dao)
　　如圖7爲監測(ce)通道的濾波(bō)電路。電阻U21-P1和(he)電容C2構成一(yī)階低通濾波(bō)，電阻U21-P0和電容(rong)C44構成一階高(gāo)通濾波。若介(jiè)質爲液體,則(zé)模拟開關U25關(guān)💯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(yàn)結果與分析(xi)
　　本設計在50mm口(kou)徑渦街流量(liàng)計實驗裝置(zhi)上進行試驗(yan)。圖8所示爲信(xin)号流各測試(shì)點波形圖。圖(tú)8a上方的波形(xíng)爲前置放大(da)後.輸出📱的波(bō)形(TPO),壓電傳感(gan)器輸出的差(cha)分信号經前(qián)置🥵儀表放大(dà)器輸出轉換(huàn)後，得到的正(zheng)弦信号,但信(xìn)号信噪比相(xiang)對較差;下方(fang)的波形爲經(jing)過測量通道(dao)濾波輸出之(zhī)後的波形(TP1),經(jīng)過濾波去噪(zao)👣放大處理,得(de)♈到💜的高信噪(zao)比信号。圖8b下(xia)方波形即是(shì)經過測量🌈通(tong)道濾🔴波輸出(chū)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(she)定阈值的模(mó)拟信♻️号，軟件(jian)脈沖整形都(dou)能正确輸出(chu)方波。圖8c.上方(fang)波形即爲經(jīng)過✏️軟件脈沖(chòng)整形之後輸(shu)出的方波信(xin)🈚号(TP4),因爲有存(cún)在小于脈沖(chòng)整形阈值的(de)信号，緻使輸(shū)出方波存在(zài)缺波現象;下(xià)方波形爲經(jing)過功率最大(dà)頻率點周期(qi)估計之後輸(shu)出的波形(TP5),通(tong)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(jiē)流量計的校(xiào)準檢定是必(bì)不可🛀🏻少的。通(tong)過校準可以(yǐ)确定渦街流(liú)量計的性能(néng)指标，尋找影(ying)響儀表特性(xìng)📱的各種因素(su),爲提高儀表(biǎo)性能提供依(yi)據。本文對50mm口(kou)徑液體渦😘街(jie)流量計采用(yòng)靜态容積法(fa)進行校準檢(jiǎn)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(ju)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(ji)本誤差:2.564%
　　國内(nèi)渦街流量計(jì)在50mm口徑時，對(duì)液體的測量(liang)範圍一般爲(wei)3~50m³/h,本文所設計(jì)的渦街流量(liàng)計信号處理(li)方法的測量(liàng)💘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(liàng)程範圍擴大(dà)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(fan)圍内，檢定的(de)儀表系數穩(wěn)定在9.2左右，但(dàn)在1.2m³/h低流速💰的(de)情況下達到(dao)了9.6594,因此産生(sheng)了較大的線(xiàn)性度和基本(běn)⛷️誤差。在1.2m³/h流速(su)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(shi)波器監視頻(pin)率輸出波形(xing),看到脈沖輸(shu)出均勻,沒有(yǒu)看到誤捕捉(zhuo)脈沖的情況(kuàng)，因此考慮主(zhu)要是由于小(xiǎo)口徑低流速(sù)下儀表系數(shù)本身的非線(xian)性造成的。通(tōng)過，上位🔆機後(hòu)期的軟件非(fēi)線性修正，完(wan)全可以得到(dào)線性度理想(xiǎng)的儀表系數(shu)。

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