摘(zhai)要:比較了渦(wo)街流量計 的(de)測量方法,選(xuǎn)用了具有靈(ling)敏度高、耐熱(rè)性強抗震性(xing)強等優點的(de)電容式渦街(jiē)流量計,介紹(shào)了其測量原(yuan)理與系統組(zu)成.通過科學(xué)的理論推導(dǎo),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(liang)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(ji)術關鍵.
　　渦街(jie)流量計具有(yǒu)精度高、量程(cheng)比較寬、線性(xing)度較好且适(shì)用各種介質(zhi)等一系列的(de)優點,在計量(liàng)檢測中發揮(hui)越來越大的(de)作用,有着廣(guang)泛的應用前(qian)景,因此對渦(wo)街流量計的(de)研究具有重(zhòng)要的意⭕義.
　　渦(wō)街流量傳感(gǎn)器按檢測方(fang)式主要有熱(rè)敏式、應力📧式(shi)、電✔️容式✌️等.熱(re)敏式渦街傳(chuan)感器靈敏度(du)高,适宜低溫(wen)、低密度的氣(qì)體測量,但💋易(yì)受流體中污(wū)物的影響🚶或(huò)損壞.應力式(shi)渦街傳感器(qì)具有響應快(kuài)、信号強、工㊙️藝(yì)性好、制🚶造成(cheng)本低等優點(dian),但抗震性相(xiàng)對較差,信噪(zào)比較低,，在低(dī)密度、低流速(sù)環境振動大(da)的場合不☎️宜(yi)使用電容式(shi)渦街流量計(jì)與其他渦街(jiē)流量計相比(bi),具有靈敏度(dù)高、耐熱性強(qiang)、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(rong)式渦街流量(liang)測量原理與(yǔ)系統組成
　　渦(wō)街流量計是(shì)利用流體振(zhèn)蕩原理來測(cè)量流量或🌈流(liu)速.在😄流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼體🏒中(zhong)放置一個具(ju)有均勻斷面(miàn)形狀的擋體(tǐ)，在擋體的兩(liǎng)🚩側會交替💰産(chan)生一種有規(gui)律的漩渦,并(bìng)向下遊流去(qù),非對稱地形(xing)成二列漩⚽渦(wō)列,即卡門渦(wō)街.利用這種(zhong)漩渦産生的(de)規律,根據漩(xuan)渦産生的🈲頻(pin)率ƒ,通過
 
　　其中(zhong),ʋ表示流體流(liu)速;d表示漩渦(wo)發生體特征(zhēng)寬度;m表示💜漩(xuan)渦發生☁️體兩(liang)側弓形面積(jī)與管道橫截(jié)面面積🐉之比(bi);Q表示體積流(liu)量;D表示管道(dào)内徑;k表示流(liu)量計儀表系(xì)數.斯特哈爾(ěr)數爲無量綱(gāng)參數,它🌏與旋(xuán)渦發生體形(xing)狀及✌️雷諾數(shu)有關，在雷諾(nuo)數的範圍爲(wei)2x104~7X106時,s;可視爲常(cháng)數,即儀表正(zhèng)常工作範圍(wei).
　　電容式渦街(jiē)傳感器的檢(jian)測元件是一(yī)-根剛性空心(xīn)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(yi)個極闆,，與另(ling)外兩個電極(jí)組成差動電(dian)容,差動電容(rong)值會随圓杆(gan)擺動而改變(bian),其規律爲與(yǔ)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(zhuǎn)☔換爲脈沖信(xìn)号,該脈沖頻(pin)🔱率😍就是渦街(jiē)的發生頻率(lǜ),與流量大小(xiao)🏒成正比.轉換(huàn)器最終輸出(chu)流量大小🈲爲(wèi)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(chuan)🈲感器如圖1所(suo)示，.
 
　　渦街力與(yǔ)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(tōng)過必要的理(li)論推導,獲得(dé)渦📧街力、偏轉(zhuǎn)角與🔞電容✊的(de)關系爲
 
　　其中(zhong)，T表示物體所(suo)受到的力矩(ju);J表示物體轉(zhuǎn)動慣量;θ表示(shì)角🐕位移;C表示(shì)粘性摩擦系(xì)數.
渦街力與(yu)流速之間的(de)關系爲
 
　　其中(zhōng)，F表示渦街産(chǎn)生的交替推(tui)力，T=F*R;CL表示無量(liang)綱系數🙇‍♀️;ʋ表示(shi)流體的☔流速(su);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(tǐ)迎流面寬度(dù).
最後偏轉角(jiao)與電容的關(guān)系爲
 
　　其中,△C表(biao)示差動電容(rong);Ɛ表示電容介(jie)質系數;b表示(shi)極闆寬度;δ表(biao)示🔆兩極闆的(de)間距.
　　電容式(shì)渦街流量計(ji)由傳感器和(hé)轉換器兩部(bu)分組㊙️成.傳感(gan)🧡器🌈包括漩渦(wo)發生體(阻流(liú)體)檢測元件(jian)、儀表表體等(deng);轉換器🏃🏻包括(kuo)電荷💛檢測電(diàn)路、濾波整形(xíng)電路、微處理(lǐ)👈器、D/A轉換電路(lu)、輸出接口電(diàn)路、顯示通信(xìn)電路、端子、支(zhī)架🌈和防護罩(zhào)等.
2電容式渦(wō)街流量測量(liàng)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(su)産生的正♋弦(xian)渦☀️街信号,1二(er)是幹擾引起(qǐ)的噪聲信号(hào),因此渦街💃🏻信(xìn)号遠非理想(xiang)🌏的正弦波信(xìn)号,而是一個(gè)混有強噪聲(sheng)的混合信号(hào)⛱️.現在，已經提(tí)出了很多種(zhǒng)處理渦街🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信(xin)号的方法,用(yòng)來提🔴取流量(liang)信号的頻率(lü).
2.1譜分析信号(hao)處理方法
　　建(jian)立噪聲模闆(pǎn)和信号模闆(pan)的基礎上,用(yong)譜分析方🐪法(fǎ)消除渦街流(liu)量計中的強(qiang)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(xia)渦街流量計(ji)測量問題.首(shou)先将頻率測(ce)量範圍分段(duàn),在不同頻✊段(duan)建立噪聲模(mo)闆,然後用混(hùn)合信号的功(gōng)率譜與噪聲(sheng)模闆,提取噪(zào)聲,再利用插(chā)值法消除噪(zào)聲,最後對🏃🏻消(xiāo)除噪聲的信(xìn)号進行頻譜(pu)分析,計算出(chu)頻率，利用頻(pin)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(zao)聲的⛷️所有模(mó)闆.經典譜分(fèn)析算法對❤️正(zheng)态分布的白(bái)噪聲有很好(hao)的🈲抑制作用(yong)，方法直觀💘,容(rong)易編程實現(xiàn).但♍在非整周(zhou)期采樣時誤(wù)差較大,需要(yao)進行頻譜⛱️校(xiào)正.而現代譜(pǔ)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(gāo),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(fèn)裂現象.
2.2自适(shi)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(li)流量信号.自(zì)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(tóng)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(zao)聲千擾情況(kuang)下頻⭐率測量(liang)都能達到較(jiao)好的精度,其(qi)不足之處是(shi)采樣點數多(duo),計算時間長(zhang),實時性差🔴.如(rú)果流量信号(hao)發生突變,而(er)采樣頻率沒(mei)有及時跟蹤(zōng),會造成較大(da)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(fen)析方法用于(yú)渦街流量計(ji)信号處理的(de)可行性,但是(shi),這種方法對(dui)諧波幹擾的(de)抑制能力較(jiào)差.
2.3熵譜法信(xìn)号處理方法(fǎ)
　　對周期圖譜(pu)分析和基于(yu)Burg的現代譜分(fen)析方法一最(zuì)大熵譜法,用(yòng)于渦街流量(liàng)計的信号處(chu)理進行了研(yan)究,發現周期(qi)圖譜分🏃🏻‍♂️析方(fāng)法對長序列(lie)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(ji)于Burg算法的譜(pu)分析方法,先(xiān)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(xiao)爲準則㊙️,來估(gū)計自回歸✏️模(mó)型的系數,特(tè)别易于短序(xù)列的譜分析(xī),分辨率較高(gāo).進行仿真後(hou),發現Burg算法抑(yi)制随機噪聲(sheng)能力強,但🍉抑(yì)制确定性噪(zào)聲,如📱渦街産(chǎn)生的低頻擺(bǎi)動噪聲的能(neng)力比周期圖(tú)法差.
2.4DSP軟硬件(jiàn)結合信号處(chu)理方法
　　采用(yong)DSP芯片将周期(qi)圖譜分析法(fa)和數字信号(hao)處理器🌈應用(yong)于渦街😍流量(liang)計的信号處(chu)理,研制了硬(ying)、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(shi)價格較高,其(qi)次在市電供(gong)給困難🈲的場(chǎng)合,如☎️野外、井(jǐng)下、長期無人(ren)值守的環境(jìng)下,就不能采(cai)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(an).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(lie)計算功率譜(pǔ)，求取信号頻(pin)率.該方法能(néng)有效抑制諧(xie)波幹擾,但⭕在(zai)非整周期采(cai)樣時,有較大(dà)的洩🌂漏誤差(chà),必須利用頻(pin)譜校正方法(fǎ)來提高測量(liang)精度.
2.5小波變(biàn)換信号處理(li)方法
　　小波變(bian)換可以作爲(wèi)--組帶通濾波(bō)器,用來對渦(wō)街傳感器信(xin)号進行濾波(bo),去除噪聲,以(yi)便正确提取(qǔ)頻率信息🧡.利(lì)用小波變換(huan)的低通和帶(dài)通濾波特性(xìng),可以😍把原始(shǐ)信号中的不(bu)同頻率的信(xìn)号成分分離(li)出來16].小波變(biàn)換可看成是(shi)--組帶通濾波(bo)器,具有⛷️低頻(pín)處分辨率高(gāo)、高頻❄️處分辨(bian)率低的特點(diǎn),但功👌耗和實(shí)時性需要進(jin)一步探讨.
2.6數(shu)字濾波器信(xin)号處理方法(fǎ)
　　數字濾波器(qi)的設計方法(fǎ)很多,最通用(yòng)的方法是利(li)用已經很♻️成(chéng)熟的模拟濾(lü)波器的設計(jì)方法,如Butteworh濾波(bo)器、Chebyshev濾波器❓、橢(tuǒ)圓濾波器等(deng).采用Buttenworth濾波、低(dī)通濾波、中位(wèi)數濾波相結(jie)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(dī)通濾㊙️波要求(qiú),通過合理選(xuan)擇窗口長度(dù)可以有效濾(lü)除脈沖噪聲(sheng)(".但是在實際(ji)應用時,信号(hào)需要經過三(sān)級濾波,存在(zài)計算量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻大、實(shí)時性較差的(de)問題♌.
3電容式(shì)渦街流量計(jì)研制的關鍵(jian)技術
　　綜合國(guo)内外研究狀(zhuang)況,渦街流量(liang)計研究的發(fā)展的關鍵✍️技(ji)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(shǐ)核心部件的(de)内部結構可(ke)靠性❄️更高.采(cai)用現代流場(chǎng)分析技術.對(duì)傳感器的具(jù)體結構以及(ji)安🐅裝位置💯進(jin)一步改進,增(zeng)強抗振性能(neng),可以消除各(gè)個方向的振(zhen)動幹擾,穩定(dìng)漩渦,使渦街(jiē)流量計在小(xiǎo)流量情況下(xia)的抗幹擾能(néng)力更強,時域(yu)波形毛刺更(geng)少,頻城波形(xíng)更加🧡穩定.通(tong)頻帶能自動(dong)跟蹤,無須電(diàn)位器或撥動(dong)開關調整✂️頻(pín)帶和靈敏度(dù),無零漂移,量(liang)程自由🈲設定(ding)，真正實現現(xian)場免調試.
3.2現(xian)場總線設計(jì)
　　采用全數字(zi)化現場總線(xian)的智能渦街(jie)流量計.目前(qian),現☂️場總線技(jì)術是智能儀(yi)表的研究熱(rè)點.可以考慮(lü)🔴實際🚶需求✨,增(zēng)加HART總線硬件(jiàn)接口,該模塊(kuai)采用抗幹擾(rǎo)能力強,通信(xìn)速率高,傳送(sòng)數據精度高(gao)的電路來完(wán)🏒成數據傳🏃🏻送(song),它既有RS.485總線(xiàn)通信的抗幹(gàn)擾能力強的(de)特點,又具有(you)輸出信号爲(wèi)二線制4~20mA的工(gong)業标準,依照(zhào)㊙️相應的通訊(xùn)⁉️協議,完成HART協(xie)議數據鏈路(lù)層和應用層(ceng)的軟件設⛱️計(ji),實現HART總線通(tong)信功能.
3.3數字(zi)信号處理方(fang)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(xìn)号與渦㊙️街信(xìn)号在🔴同一頻(pín)段的情況已(yi)有研究,當兩(liǎng)種信号的頻(pin)率在同一頻(pín)段且頻率💞非(fēi)常靠近時,研(yán)究如何分辨(biàn)這兩種信号(hao),及💰如何消除(chú)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(xi)方法時,若所(suo)選用幅頻特(tè)性的過渡帶(dai)不夠陡,則使(shǐ)得它分頻特(te)性不好,會造(zao)成頻率分辨(biàn)率不夠高.同(tong)時，靠近渦街(jie)頻率🐪的諧波(bo)不易濾幹淨(jìng),将會影響測(ce)量精度,因此(cǐ)還需要研究(jiū)函數的選取(qu)、分級,濾波🍓器(qi)的幅頻特性(xìng)和中心頻🛀率(lǜ)的調整采樣(yang)頻率和采樣(yàng)點數如何确(que)定,以及在軟(ruan)件編程中如(ru)何優化算法(fa),使計算量少(shao)、内存占用量(liàng)少和運算誤(wu)差小,以保證(zheng)體積小🔴.實時(shi)性好和計算(suan)精度高等問(wen)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(jian)立--種通用的(de)模闆🥰,真正解(jie)決強幹擾下(xia)渦街信号🔴和(hé)噪聲的判别(bié)、分離及提取(qǔ)問題,在傳感(gan)器條件一定(dìng)的情況下,考(kao)慮利用信号(hào)處理技術擴(kuo)大🈲量程比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,提(tí)高小流量測(ce)量精度,全面(miàn).深入地研⭕究(jiū)流場噪聲🔞以(yi)及它們對渦(wō)街信号影響(xiǎng)🧡等.
4結語
　　渦街(jie)流量計在流(liu)量測量中應(ying)用非常廣泛(fan),電容式渦街(jie)流量計具有(yǒu)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(wō)街流量計測(ce)量原理❤️和系(xì)統組成的理(lǐ)解.信号處理(lǐ)💰方法的比較(jiào)及對該💘流量(liang)計研制的關(guān)鍵技術問題(ti)🤩的分析,可以(yi)對電容式渦(wō)街流量計有(yǒu)很清楚的認(rèn)識,有助于對(duì)渦街流量計(ji)的設計與研(yan)究.

本文 渦輪(lún)流量計 ，江蘇(sū)省孝感尼蓝(lán)纺织制造有(you)限责任公司(si)(AI智能站)爲您(nin)提供，轉載請(qǐng)注明出處！！