渦(wō)街流量(liang)計 是上(shàng)世紀60年(nian)代末期(qī)發展起(qi)來的一(yi)種振動(dong)頻率與(yǔ)流速成(chéng)正比的(de)流量計(ji)。針對渦(wō)街流量(liang)計在低(di)流速時(shi)幅值小(xiao)🌏而高🌈流(liú)速幅值(zhi)❓大,且低(di)流速信(xin)噪比低(dī)而高流(liu)速信噪(zào)比高的(de)特點，設(she)計了一(yi)套雙通(tong)道渦街(jiē)流量計(ji)信♊号處(chù)理方法(fa)，通過測(ce)量通道(dào)與監測(ce)通道♊的(de)配合工(gong)作,提升(sheng)了低流(liú)🔴速的測(ce)量性能(neng),擴大了(le)渦🙇🏻街流(liú)量計測(ce)量🛀量程(chéng)。
　　理論上(shang),渦街流(liú)量計的(de)測量量(liàng)程比可(ke)達幾百(bǎi)比一-1,但(dàn)❌由于渦(wo)街流量(liàng)計在測(cè)量低流(liu)速時産(chǎn)生的旋(xuan)渦壓力(lì)🤞小，初始(shi)信💋号較(jiào)微弱,同(tong)時受現(xiàn)場複雜(za)工況的(de)影響,在(zài)進行低(dī)流速測(ce)量時不(bu)🔞能有效(xiao)進行濾(lü)波,容易(yi)被噪聲(shēng)淹沒。目(mù)前國内(nei)的渦街(jie)流量計(ji)産品量(liàng)程比多(duo)爲10:1到15:1。
　　本(běn)文以壓(ya)電式渦(wo)街流量(liang)計爲基(ji)礎，根據(ju)渦街流(liu)量計信(xin)号與噪(zào)🔴聲的特(te)點,通過(guo)改進前(qián)置放大(da)電路和(hé)濾波處(chù)理😘電路(lu)👣，設計了(le)雙通道(dao)渦街流(liú)量計信(xìn)号處❤️理(lǐ)系統，從(cong)而實現(xiàn)整個工(gōng)作頻段(duàn)的流量(liàng)測量,達(da)到提高(gāo)測量🏒量(liàng)程比的(de)目的。
1渦(wō)街流量(liàng)計的信(xìn)号特點(dian)
　　渦街流(liú)量計的(de)振動頻(pín)率與流(liú)速(流量(liang))之間的(de)關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shì)中:St爲斯(si)特勞哈(ha)爾數;f爲(wèi)輸出頻(pín)率;V爲流(liu)體流速(su);d爲旋🙇‍♀️渦(wo)發生體(tǐ)寬度。
　　工(gong)程中常(cháng)用下式(shi)進行流(liu)體流量(liàng)測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲體(tǐ)積流量(liang);K爲儀表(biao)系數。
2雙(shuang)通道渦(wō)街流量(liang)計信号(hao)處理方(fāng)法分析(xī)
2.1測量通(tōng)道信号(hào)處理方(fang)法分析(xī)
　　本設計(ji)采用由(you)具有1/f²衰(shuai)減(-40dB/dec)特性(xing)的低頻(pin)濾波器(qi)和二階(jie)高通濾(lǜ)波器(40dB/dec)組(zu)成的帶(dài)通濾波(bo)器來對(duì)原始信(xìn)号的幅(fú)💞頻特⚽性(xìng)進行處(chù)理。該濾(lü)波器的(de)幅頻特(te)性爲:
 
　　在(zai)低頻段(duàn)，渦街信(xin)号經過(guo)相同轉(zhuǎn)折頻率(lü)的低通(tōng)濾🌍波器(qì)，輸⭐出🧑🏾‍🤝‍🧑🏼幅(fú)值爲常(cháng)數;在高(gāo)頻段,低(dī)通濾波(bo)器轉折(she)頻率後(hou)移，使低(di)通濾波(bō)器✉️基本(ben)放開。圖(tú)1爲50mm口徑(jìng)管道液(yè)體的🍉頻(pín)率段劃(hua)分示意(yi)圖。此四(si)頻段信(xìn)号處理(li)方法構(gòu)成的“測(ce)量通道(dao)”是整個(gè)渦街信(xìn)号處理(li)體系的(de)主體通(tong)道。
 
2.2監測(cè)通道信(xin)号處理(li)方法分(fèn)析
　　爲監(jian)測信号(hào)由低頻(pín)突變爲(wèi)高頻時(shi)的狀況(kuàng)，本文設(she)✏️計了一(yi)個由轉(zhuan)折頻率(lǜ)爲fL=fmax/2=70Hz的一(yi)階低通(tōng)濾波器(qì)與轉折(she)頻率爲(wei)fH=8*fmin=16Hz的一階(jie)高通濾(lü)波器組(zu)成的帶(dài)通濾波(bo)器作爲(wèi)“監♍測通(tōng)道”。圖2爲(wei)“監測通(tōng)道”的幅(fu)頻曲線(xiàn)示意圖(tu)✔️。
 
3渦街流(liu)量計信(xìn)号處理(lǐ)硬件設(shè)計
　　硬件(jiàn)系統主(zhu)要包括(kuò)前置放(fàng)大電路(lu)、可控增(zēng)益調整(zhěng)電路、測(cè)量通⛹🏻‍♀️道(dao)以及監(jian)測通道(dào)單元。各(ge)部分電(diàn)路之間(jiān)相互協(xie)🌈調完成(cheng)整💞個硬(yìng)件系統(tǒng)的信号(hao)處理。
3.1前(qian)置放大(dà)電路
　　本(ben)文采用(yong)儀表放(fang)大器INA118作(zuo)爲前置(zhì)放大電(diàn)路，以此(cǐ)完成🌂壓(ya)電傳感(gǎn)器的輸(shu)入信号(hao)放大轉(zhuan)換。如圖(tú)3,INA118采用單(dan)電源供(gòng)電,Ref爲信(xìn)号地的(de)參🐇考電(dian)平,爲+V∞/2。
 
3.2可(ke)控增益(yì)調整電(diàn)路
　　可控(kong)增益調(diào)整電路(lù)由一個(gè)階高通(tong)濾波電(dian)路和一(yī)✔️個可調(diào)增益的(de)同相放(fàng)大器組(zǔ)成。以此(cǐ)來配合(he)測量通(tōng)道🔴,發揮(huī)儀表😘的(de)寬量程(chéng)💞優勢，完(wán)成回路(lu)的閉環(huán)自☔動增(zeng)益調整(zheng)。如圖4,U5爲(wèi)256抽頭100kQ2數(shù)字電位(wèi)器,C43.,C40.,C39電容(róng)通過模(mó)🌈拟開關(guan)選通不(bu)同的組(zǔ)合，形成(cheng)具有隔(gé)直和分(fen)頻段濾(lǜ)波作用(yòng)的轉折(she)頻率可(ke)💁控的一(yī)階高通(tong)濾波器(qi)。同🆚相放(fàng)大器的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼放大倍(bèi)數爲1+RP0/R5。
 
3.3測(cè)量通道(dao)
　　測量通(tong)道是整(zhěng)個硬件(jiàn)系統的(de)核心部(bù)分，包括(kuò)數控帶(dài)🤟通濾波(bo)器🔴和硬(ying)件脈沖(chòng)整形電(diàn)路，以此(cǐ)完成信(xin)号的濾(lǜ)波處理(li)和💜脈沖(chòng)整形任(rèn)務。數控(kòng)帶通濾(lǜ)波器由(yóu)兩個具(jù)有相同(tóng)的轉折(shé)🔞頻率的(de)一階低(dī)通濾波(bo)器和🤟一(yi)個二階(jiē)高通濾(lü)波器組(zu)成，如圖(tu)5所示。
 
　　硬(ying)件脈沖(chòng)整形電(dian)路如圖(tu)6所示,爲(wèi)一個施(shi)密特觸(chu)發器,對(duì)🏃🏻經✌️過濾(lü)波的信(xin)号進行(hang)觸發整(zhěng)形，得到(dao)包含信(xìn)号頻率(lǜ)信息的(de)方波信(xin)号🔱。施密(mi)特觸發(fā)器的高(gāo)低觸🐇發(fā)阈值電(dian)壓由以(yi)下二式(shi)決定:
 
　　式(shì)中VH爲高(gāo)觸發阈(yù)值;VL爲低(dī)觸發阈(yu)值;VCH爲高(gāo)電平電(diàn)壓;VCL爲低(di)電平🤩電(diàn)壓;VREF爲參(cān)考電壓(yā)。在本設(she)計中，電(dian)源電壓(yā)♉爲3.3V,單👣電(diàn)源供電(dian)，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信(xin)号參考(kǎo)點爲0~3.3V的(de)中心點(dian)1.65V,所以VREF=1.65V;施(shī)密特觸(chù)發阈值(zhi)VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tōng)道
　　如圖(tú)7爲監測(cè)通道的(de)濾波電(dian)路。電阻(zǔ)U21-P1和電容(rong)C2構成一(yi)階低通(tong)濾波，電(dian)阻U21-P0和電(diàn)容C44構成(chéng)一階高(gao)通濾波(bō)。若介質(zhì)爲液體(ti),則模拟(ni)開關U25關(guān)斷;若介(jie)質爲氣(qi)體,則選(xuǎn)通模拟(nǐ)開🏃‍♀️關。此(cǐ)處施密(mì)特觸發(fa)阈值VH-VL=0.78V。
 
4實(shi)驗結果(guo)與分析(xī)
　　本設計(ji)在50mm口徑(jìng)渦街流(liú)量計實(shí)驗裝置(zhi)上進行(háng)試驗。圖(tu)👄8所示爲(wei)信👨‍❤️‍👨号流(liú)各測試(shi)點波形(xing)圖。圖8a上(shàng)方的波(bō)形爲前(qián)置放大(da)後.輸出(chū)的波形(xing)(TPO),壓電傳(chuan)感器輸(shu)出的差(cha)分信号(hào)✏️經前置(zhi)儀表放(fang)大器輸(shū)出轉換(huan)後，得到(dào)的正弦(xian)信号,但(dàn)信号信(xin)噪比相(xiang)對較差(chà);下方的(de)波形爲(wei)經過測(cè)量通道(dào)濾波輸(shū)出之後(hòu)的波形(xing)(TP1),經過濾(lü)波去噪(zao)放大處(chu)理,得到(dào)的高信(xìn)噪比信(xin)号。圖8b下(xià)方波形(xíng)即是經(jing)過測量(liang)通道濾(lǜ)波輸出(chū)之後的(de)波⛱️形(TP1);上(shang)方波形(xíng)爲經👌過(guò)軟件脈(mo)沖整形(xíng)之後輸(shū)出的方(fang)波信号(hào)(TP4),對于峰(feng)峰值大(da)于設定(dìng)阈值的(de)模拟信(xin)号，軟件(jiàn)脈沖整(zhěng)形都‼️能(neng)正确輸(shu)出方波(bo)。圖8c.上方(fang)波形即(jí)爲經過(guo)🈲軟件脈(mò)沖整形(xing)之後輸(shu)出的方(fang)波信号(hao)(TP4),因爲有(you)存在小(xiǎo)于脈沖(chong)整形阈(yù)值的信(xìn)号，緻使(shi)輸出方(fāng)波存在(zai)缺波現(xiàn)象;下方(fang)波形爲(wei)經過功(gōng)率最大(dà)頻率點(dian)周期估(gu)計之後(hou)輸出的(de)波形(TP5),通(tōng)過軟件(jiàn)濾波最(zui)大程度(du)的複原(yuán)了真實(shi)的信号(hào)波形，保(bǎo)證了💞測(cè)量精度(du)。
 
　　在開發(fā)過程中(zhōng),渦街流(liú)量計的(de)校準檢(jian)定是必(bi)不可少(shǎo)的。通✨過(guo)校準可(kě)以确定(dìng)渦街流(liu)量計的(de)性能指(zhi)标，尋找(zhǎo)影響儀(yí)表特性(xing)的各種(zhǒng)因素,爲(wei)提高儀(yi)表性能(néng)提供依(yi)據。本文(wén)對50mm口徑(jìng)🆚液體渦(wō)街流量(liàng)🔅計采用(yong)靜态容(rong)積法進(jìn)♋行校準(zhun)檢💚定,其(qí)流量檢(jiǎn)定範圍(wéi)爲1~50m³/h,流量(liàng)檢定點(diǎn)分别爲(wei)2%、10%、20%、40%.91%五點。具(jù)體檢定(ding)數據如(ru)表1所示(shì):
 
　　由計算(suan)得:儀表(biao)系數:9.4179(次(ci)/L)線性度(dù):±2.56%
　　重複性(xìng):0.142%基本誤(wu)差:2.564%
　　國内(nèi)渦街流(liú)量計在(zài)50mm口徑時(shi)，對液體(ti)的測量(liàng)範圍一(yī)般爲3~50m³/h,本(běn)文所設(shè)計的渦(wo)街流量(liang)計信号(hào)處理方(fāng)法的測(cè)量下限(xian)達到了(le)1.2m³/h左右，拓(tuò)展了2.5倍(bei)左右的(de)測量下(xià)限,使量(liang)程範圍(wei)擴大了(le)2.5倍。
　　由表(biao)1的液體(tǐ)檢定數(shù)據可見(jiàn)，在對中(zhōng)高流速(su)的測量(liang)下,即10~50m³/h範(fan)圍内，檢(jian)定的儀(yi)表系數(shu)穩定在(zài)9.2左右，但(dàn)在1.2m³/h低流(liú)速🙇🏻的情(qing)況下達(da)到了9.6594,因(yin)此産生(shēng)了較大(dà)的線性(xing)度和基(ji)本誤差(chà)。在1.2m³/h流速(su)點時儀(yí)表系數(shù).上升明(ming)顯,但是(shì)1.2m³/h流速下(xià)的3個測(ce)試點重(zhong)複性較(jiao)好(0.142%),而且(qiě)通☎️過示(shì)波器監(jian)視頻率(lǜ)輸出波(bō)形,看到(dào)脈沖輸(shu)出均勻(yun),沒有看(kan)到誤捕(bǔ)捉脈沖(chòng)的情況(kuang)，因此考(kǎo)慮主要(yào)是由于(yu)小口徑(jing)低流速(su)下儀表(biǎo)系數本(ben)身的非(fēi)線性造(zào)成的。通(tōng)過，上☎️位(wèi)機後期(qī)的軟件(jian)非線性(xìng)修正，完(wan)全可以(yi)得到線(xian)性度理(li)想的儀(yí)表系數(shù)。

本文來(lai)源于網(wang)絡,如有(yǒu)侵權聯(lian)系即删(shan)除！