渦街(jie)流量計 是(shì)上世紀60年(nián)代末期發(fā)展起來的(de)一種振動(dòng)頻率與流(liu)速成正比(bǐ)的流量計(jì)。針對渦街(jiē)流量計在(zai)低流速時(shi)幅值小⛱️而(ér)高🙇‍♀️流速幅(fu)值大,且低(di)流速信噪(zào)比低而高(gāo)流速信噪(zào)比高的特(te)點，設計🔞了(le)一套🐇雙通(tong)道渦街流(liú)量計信号(hào)處理方💔法(fa)，通過測量(liang)通道與監(jian)測通道㊙️的(de)配合工作(zuo),提升了低(dī)流速的測(ce)量性能,擴(kuo)大了渦街(jie)流量計測(ce)量量程。
　　理(li)論上,渦街(jiē)流量計的(de)測量量程(cheng)比可達幾(jǐ)百比一-1,但(dan)由于渦街(jie)流量計在(zài)測量低流(liu)速時産生(shēng)的旋渦🈲壓(yā)力🏃小，初始(shi)信🛀号較微(wēi)弱,同時受(shòu)現場複雜(za)工況的🛀影(ying)響,在⭕進行(hang)低流速測(ce)量時不能(néng)有效😍進行(hang)濾波,容🔴易(yi)被噪聲淹(yan)沒。目前國(guo)内的渦街(jie)流量計産(chan)品量程比(bi)多爲10:1到15:1。
　　本(běn)文以壓電(dian)式渦街流(liu)量計爲基(ji)礎，根據渦(wō)街流量計(jì)信号與噪(zao)聲的特點(diǎn),通過改進(jin)前置放大(da)電路和濾(lü)波處理電(diàn)路，設計了(le)雙通道渦(wō)街流量計(jì)信号處♻️理(li)系統🐇，從而(ér)實現整個(gè)❌工作頻段(duàn)的流量測(cè)量,達到提(ti)高測量🌐量(liàng)程比的目(mù)的。
1渦街流(liu)量計的信(xin)号特點
　　渦(wō)街流量計(ji)的振動頻(pín)率與流速(su)(流量)之間(jiān)的關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shì)中:St爲斯特(tè)勞哈爾數(shù);f爲輸出頻(pín)率;V爲流體(ti)流速;d爲♊旋(xuán)渦🛀發生🈲體(tǐ)寬度。
　　工程(cheng)中常用下(xia)式進行流(liu)體流量測(cè)量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式中:qv爲(wèi)體積流量(liàng);K爲儀表系(xi)數。
2雙通道(dao)渦街流量(liang)計信号處(chu)理方法分(fen)析
2.1測量通(tōng)道信号處(chu)理方法分(fen)析
　　本設計(ji)采用由具(jù)有1/f²衰減(-40dB/dec)特(te)性的低頻(pin)濾波器和(he)二階高⭕通(tōng)😄濾波器(40dB/dec)組(zǔ)成的帶通(tong)濾波器來(lai)對原始信(xìn)号的幅頻(pin)特性進行(hang)處⛷️理。該濾(lü)波器的幅(fu)頻特性爲(wèi):
 
　　在低頻段(duan)，渦街信号(hao)經過相同(tóng)轉折頻率(lü)的低通濾(lü)波器，輸出(chu)幅🐇值爲常(chang)數;在高頻(pin)段,低通濾(lǜ)波器轉折(she)頻率後移(yí)，使低通濾(lü)波器基本(běn)放開。圖1爲(wèi)50mm口徑管道(dào)✊液體的🆚頻(pin)率段劃分(fèn)示意圖。此(cǐ)四頻段信(xìn)号處理方(fang)✏️法構成的(de)“測量通道(dào)”是整個渦(wō)街信号處(chu)㊙️理體系的(de)主體通道(dào)。
 
2.2監測通道(dao)信号處理(li)方法分析(xī)
　　爲監測信(xin)号由低頻(pín)突變爲高(gāo)頻時的狀(zhuàng)況，本文設(shè)計🌈了一個(ge)由轉折頻(pin)率爲fL=fmax/2=70Hz的一(yi)階低通濾(lǜ)波器與轉(zhuǎn)折頻率爲(wèi)fH=8*fmin=16Hz的一階高(gāo)通濾波器(qi)組成的帶(dai)通濾波器(qì)作爲“監測(cè)通道⚽”。圖2爲(wei)“監👉測通道(dao)”的幅頻曲(qu)線示意圖(tu)。
 
3渦街流量(liàng)計信号處(chù)理硬件設(she)計
　　硬件系(xi)統主要包(bao)括前置放(fang)大電路、可(ke)控增益調(diào)整電㊙️路、測(ce)量通道以(yǐ)及監測通(tōng)道單元。各(ge)部分電路(lu)之間相互(hù)協👌調完成(chéng)整個硬件(jiàn)系統的信(xin)号處理。
3.1前(qian)置放大電(dian)路
　　本文采(cǎi)用儀表放(fàng)大器INA118作爲(wei)前置放大(da)電路，以此(ci)完成壓電(dian)傳感器的(de)輸入信号(hao)放大轉換(huan)。如圖3,INA118采用(yòng)單🤞電源供(gòng)電,Ref爲信号(hao)地的參考(kǎo)電平,爲+V∞/2。
 
3.2可(kě)控增益調(diào)整電路
　　可(kě)控增益調(diao)整電路由(yóu)一個階高(gao)通濾波電(diàn)路和一個(ge)可調增益(yì)的同相放(fang)大器組成(chéng)。以此來配(pèi)合測量通(tong)道,發揮儀(yí)表的寬量(liang)程優勢，完(wan)成回路的(de)閉環自動(dong)增益調整(zheng)。如圖4,U5爲256抽(chōu)頭100kQ2數字電(diàn)位器,C43.,C40.,C39電容(róng)通過模拟(nǐ)開關選通(tong)不同的組(zu)合，形成具(jù)有隔直和(hé)分頻段濾(lü)波作用的(de)轉折頻率(lü)可控的一(yi)階高通濾(lǜ)波器。同相(xiàng)放大器的(de)放大倍數(shù)爲1+RP0/R5。
 
3.3測量通(tōng)道
　　測量通(tong)道是整個(ge)硬件系統(tǒng)的核心部(bù)分，包括數(shu)控帶通濾(lǜ)🌍波🤩器和硬(yìng)件脈沖整(zhěng)形電路，以(yi)此完成信(xìn)号的濾波(bo)處✊理和脈(mò)沖整形任(rèn)務。數控帶(dài)通濾波器(qì)由兩個具(ju)有相同的(de)轉折頻率(lü)的⚽一階低(dī)通濾波器(qi)和一個二(èr)階高通濾(lǜ)波器組成(chéng)，如圖5所示(shì)。
 
　　硬件脈沖(chòng)整形電路(lù)如圖6所示(shì),爲一個施(shi)密特觸發(fa)器,對經過(guò)濾🏃‍♀️波的信(xìn)号進行觸(chù)發整形，得(de)到包含信(xìn)号頻率信(xìn)息的💃方波(bo)信号。施密(mi)特觸發器(qì)的高低觸(chu)發阈值電(diàn)壓由以下(xia)二⭐式決定(dìng):
 
　　式中VH爲高(gāo)觸發阈值(zhi);VL爲低觸發(fa)阈值;VCH爲高(gao)電平電壓(ya);VCL爲低電平(píng)電壓;VREF爲參(can)考電壓。在(zai)本設計中(zhong)，電源電壓(yā)㊙️爲3.3V,單電源(yuan)供電，因此(cǐ)VCH=3.3V,VCL=0V;信号參考(kǎo)點爲0~3.3V的中(zhong)心點1.65V,所以(yǐ)㊙️VREF=1.65V;施密特觸(chu)發阈值VH-VL=0.9V.
 
3.4監(jian)測通道
　　如(rú)圖7爲監測(ce)通道的濾(lü)波電路。電(dian)阻U21-P1和電容(rong)C2構成一階(jie)📞低✏️通濾波(bo)，電阻U21-P0和電(diàn)容C44構成一(yi)階高通濾(lü)波。若介質(zhi)爲液體,則(ze)模拟開關(guān)U25關斷;若介(jiè)質爲氣體(ti),則選通模(mo)拟開關。此(cǐ)處施密特(te)觸發阈值(zhí)VH-VL=0.78V。
 
4實驗結果(guǒ)與分析
　　本(ben)設計在50mm口(kǒu)徑渦街流(liu)量計實驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗。圖(tú)8所示👨‍❤️‍👨爲信(xin)号流各測(cè)試點波形(xíng)圖。圖8a上方(fāng)的波形爲(wei)前置放🎯大(da)後.輸出的(de)波形(TPO),壓電(dian)傳感器輸(shū)出的差分(fèn)信号經前(qian)置儀表放(fàng)大器輸出(chu)轉換後，得(dé)到的正弦(xian)信号,但信(xin)号信噪比(bǐ)相對較⛱️差(chà);下方的波(bō)形爲經過(guo)測量通道(dào)濾波輸出(chu)之後的波(bo)形(TP1),經過濾(lü)波去噪☀️放(fàng)大處理,得(de)到的高信(xin)噪比信号(hao)。圖8b下方波(bo)形即是經(jing)過測量💞通(tong)道濾波輸(shū)出之後的(de)波形(TP1);上方(fāng)波形爲經(jīng)過軟件脈(mò)沖整形🌈之(zhī)後輸出的(de)方波信号(hào)(TP4),對于峰峰(fēng)值大于設(she)定阈值的(de)🈲模拟信号(hao)，軟件脈沖(chong)整📧形都能(neng)正确輸出(chū)方波。圖8c.上(shang)方波形即(ji)爲經過軟(ruan)件脈沖整(zheng)形之後輸(shu)出的方波(bo)信号🈲(TP4),因爲(wèi)有存在小(xiao)于脈沖整(zhěng)形阈值的(de)信号，緻使(shi)輸出方波(bo)存在缺波(bo)現象;下方(fāng)波形爲經(jing)過功率最(zuì)大頻率點(dian)周期估計(ji)之後輸出(chu)的波形(TP5),通(tōng)過軟件濾(lü)波最大程(cheng)度的複原(yuan)了真🐅實💚的(de)信号波形(xíng)，保證了測(ce)量精度。
 
　　在(zai)開發過程(chéng)中,渦街流(liú)量計的校(xiao)準檢定是(shi)必不可少(shao)的。通過校(xiao)準可以确(què)定渦街流(liu)量計的性(xing)能指标，尋(xun)找🔞影響儀(yí)表🌈特性的(de)各種因素(su),爲提高儀(yí)表性能提(tí)供依據。本(běn)文對50mm口徑(jìng)🐇液體渦街(jie)流量計采(cǎi)用靜态👅容(rong)積法進行(hang)校準檢定(ding),其流量檢(jian)定範圍爲(wei)1~50m³/h,流量檢定(dìng)點分别爲(wèi)🚩2%、10%、20%、40%.91%五點。具體(tǐ)檢定數據(jù)如表1所示(shi):
 
　　由計算得(de):儀表系數(shu):9.4179(次/L)線性度(dù):±2.56%
　　重複性:0.142%基(ji)本誤差:2.564%
　　國(guo)内渦街流(liu)量計在50mm口(kou)徑時，對液(yè)體的測量(liang)範圍一般(bān)爲3~50m³/h,本文所(suǒ)🐆設計的渦(wō)街流量計(jì)信号處理(lǐ)方法的測(ce)量下限🎯達(dá)到了1.2m³/h左右(you)，拓展了2.5倍(bèi)左右的測(cè)量下限,使(shi)量程範圍(wei)擴🔆大了2.5倍(bèi)。
　　由表1的液(ye)體檢定數(shù)據可見，在(zài)對中高流(liu)速的測量(liàng)下,即10~50m³/h範圍(wei)内，檢定的(de)儀表系數(shu)穩定在9.2左(zuo)右，但在1.2m³/h低(di)💰流速的情(qíng)況下達到(dào)了9.6594,因此産(chan)生了較大(da)的線性度(dù)和基本誤(wu)差。在🏃‍♀️1.2m³/h流速(sù)點時儀表(biao)系數.上升(sheng)明顯,但是(shì)1.2m³/h流速下的(de)3個測試點(dian)重複性較(jiao)好(0.142%),而且通(tōng)過示波器(qi)監視頻率(lǜ)輸出波形(xíng),看到脈沖(chong)輸出均勻(yún),沒有看到(dao)💃🏻誤捕捉脈(mo)沖的情況(kuàng)，因此考慮(lü)主要是由(you)于小口徑(jìng)🏃🏻‍♂️低流速下(xia)儀表系數(shu)本身的非(fēi)線性造成(chéng)的。通過，上(shàng)位機後期(qī)的軟件非(fei)✨線性修正(zheng)，完全可以(yi)得到線性(xìng)🈲度理想的(de)儀表系數(shu)。

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