摘(zhāi)要:比較了渦(wō)街流量計 的(de)測量方法,選(xuan)用了具有靈(líng)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(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(bing)将電容式渦(wō)街流量測量(liang)信号處🔱理方(fāng)法進行分析(xī)和💔比較.最後(hou)闡述了電⭕容(róng)式渦街流量(liàng)計研制的技(ji)術關鍵.
　　渦街(jie)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(zhì)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(gan)器按檢測方(fang)式主要有熱(rè)敏式、應力👉式(shi)、電容式等.熱(rè)敏式渦街傳(chuan)感器靈敏度(dù)高,适宜低溫(wen)、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(qì)具有響應快(kuai)、信号強、工藝(yì)性好、制🔞造成(cheng)本低等優點(dian),但💋抗震性相(xiang)🌐對較差,信🈲噪(zao)比較低,，在低(di)密度、低流速(su)環境振動大(dà)的場合不宜(yí)使用電容式(shì)渦街流量計(jì)與其他渦街(jie)流量計相㊙️比(bǐ),具有靈🌏敏度(dù)高🐪、耐熱性強(qiáng)、抗震性強等(děng)優點,因而在(zài)工業企業中(zhong)得到👉了廣泛(fan)的應用.
1電容(rong)式渦街流量(liang)測量原理與(yu)系統組成
　　渦(wo)街流量計是(shì)利用流體振(zhèn)蕩原理來測(ce)量流量或流(liú)速.在流體中(zhōng)放置一個具(ju)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(bìng)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(zhong)漩渦🐉産生的(de)規律,根據漩(xuán)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(wō)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(bǐ);Q表示🏃體積流(liu)量;D表示管道(dao)内徑;k表示流(liú)量計儀表系(xì)數🌂.斯特哈爾(er)數爲無量綱(gāng)👣參數,它與旋(xuan)渦發生體形(xing)狀及👨‍❤️‍👨雷諾數(shù)有👅關，在雷諾(nuo)數的範圍爲(wèi)2x104~7X106時,s;可視爲常(cháng)數,即儀表正(zheng)常工作🔞範圍(wéi).
　　電容式渦街(jiē)傳感器的檢(jian)測元件是一(yi)-根剛性空心(xin)圓杆,當渦街(jie)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(jí)組成差動電(diàn)容,差♍動電容(rong)值會随圓杆(gǎn)擺動而改變(biàn),其規律爲與(yǔ)渦街發生同(tong)頻率的周期(qi)性變化.轉換(huàn)🤩器檢測電容(rong)✔️的變化,并轉(zhuǎn)換爲脈沖信(xìn)号,該脈沖頻(pín)率🔆就是渦街(jie)的發生頻率(lü),與流量大小(xiǎo)成正比.轉換(huàn)器最終輸出(chū)流量大小爲(wei)4~20mA模拟信号或(huò)通過HART現場總(zong)線輸出數字(zi)信号.電容傳(chuan)感✂️器如圖1所(suǒ)💞示，.
 
　　渦街力與(yǔ)偏轉角的關(guan)系是根據轉(zhuǎn)動的物體遵(zūn)循牛🌍頓轉動(dong)🔞定律得出,通(tong)過必要的理(lǐ)論推導,獲得(dé)渦街力、偏轉(zhuan)角與電容的(de)關系爲
 
　　其中(zhōng)，T表示物體所(suǒ)受到的力矩(jǔ);J表示物體轉(zhuan)動慣量;θ表示(shì)角位移;C表示(shì)粘性摩擦系(xi)數.
渦街力與(yu)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(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(du).
最後偏轉角(jiao)與電容的關(guan)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(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(bù)分組成.傳🍉感(gan)器包括漩渦(wō)發生體(阻流(liú)體)檢測元件(jiàn)、儀表表體❗等(deng);轉換器包括(kuo)⚽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(dian)路、顯示通信(xìn)電路、端子、支(zhī)架和防護罩(zhao)等.
2電容式渦(wo)街流量測量(liang)計信号處理(lǐ)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(xián)渦街信🧡号,1二(èr)是幹擾引起(qi)的噪聲信号(hao),因此渦街信(xin)号🍓遠非理想(xiang)的正弦波信(xìn)号,而是一個(ge)混有強噪❓聲(sheng)的混合信号(hao).現在，已🌂經提(tí)出了很多💃🏻種(zhǒng)處理渦街信(xìn)号的方法,用(yong)來提取流量(liàng)信号的頻率(lǜ).
2.1譜分析信号(hao)處理方法
　　建(jiàn)立噪聲模闆(pan)和信号模闆(pan)的基礎上,用(yòng)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(diǎn)之一,利用該(gai)方法解決強(qiáng)幹擾條件下(xià)渦街流量👨‍❤️‍👨計(ji)測量問題.首(shǒu)🈲先将頻率測(cè)量範圍分段(duàn),在不同頻段(duan)建立噪聲模(mo)闆,然後用混(hun)合信号的功(gōng)👄率譜與噪❗聲(shēng)模闆,提取噪(zao)聲,再利用插(cha)值法消除噪(zào)聲,最後對🌐消(xiao)除噪聲的信(xin)号進行頻譜(pǔ)分💁析,計算出(chū)頻率，利用頻(pín)譜校正法提(tí)高計算精⭐度(du)[31.但是,噪聲情(qing)況各種各樣(yang).不易獲得噪(zào)聲的🐅所有模(mo)闆.經典譜分(fen)🏃🏻析算法對正(zhèng)态分布的白(bai)噪聲有很好(hǎo)的抑制作用(yong)，方法直觀,容(rong)易編程實現(xiàn).但在非整周(zhōu)期采樣時誤(wu)差較大,需要(yào)進行頻譜校(xiao)正.而現代譜(pǔ)分析方法更(geng)适合短序🏃‍♀️列(liè)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(ji)算的結果有(you)影響,有時還(hái)存在譜線分(fèn)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(yīng)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(xian)波針對不同(tóng)頻率的信号(hao)建立🔱不同參(cān)數的模☁️型,在(zài)非整周期采(cai)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(ru)果流量信✔️号(hao)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(cha).由漩渦♊發生(sheng)體、熱線探針(zhēn)、前置處理電(dian)路和APPLE微機構(gòu)成測量系統(tǒng),驗證了譜分(fèn)析方法用于(yú)渦街流量計(ji)信号處理的(de)可行性,但是(shì),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(chù)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(dù)💃🏻高,對諧波的(de)抑制能力🌈強(qiáng),處理非過零(ling)♌采樣的數據(ju)🌏時,計算精度(dù)不受影響,基(jī)于Burg算法的譜(pu)分析方法,先(xiān)建立自回歸(guī)模型,再計算(suàn)功率譜'51.采用(yòng)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(gū)計自回歸模(mó)型的系數,特(te)别易于短序(xù)列的譜分析(xi),分辨率較高(gao).進行仿真後(hou),發現Burg算法抑(yì)制随機噪聲(shēng)🔴能力強,但抑(yì)制确定性噪(zao)聲,如渦街産(chǎn)生的低頻擺(bǎi)👣動噪聲的能(neng)力比周期圖(tu)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(yòng)于渦街流量(liàng)計的信号處(chù)理,研制了硬(ying)、軟件系統計(jì)❤️算流🏃🏻‍♂️量信号(hao)的頻率,取得(de)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(gòng)給困難的場(chang)合,如野外、井(jing)下、長期無人(ren)值守的環境(jìng)下,就不能采(cai)用DSP芯片作爲(wèi)處理器了,因(yin)爲現有的DSP芯(xīn)片功耗至少(shǎo)有幾十♻️毫安(an).基于FFT的經典(dian)譜分析方法(fǎ),直接用傅立(li)葉變換對有(yǒu)限時間序列(lie)計算功率譜(pu)，求取信号頻(pín)率.該方法能(néng)有🔴效抑制諧(xié)波幹擾,但在(zài)非整周期采(cai)樣時,有較大(dà)的洩漏誤差(cha)💞,必須利用頻(pín)譜校正方法(fa)來提高測量(liàng)精度.
2.5小波變(biàn)換信号處理(lǐ)方法
　　小波變(biàn)換可以作爲(wei)--組帶通濾波(bō)器,用來對渦(wo)街傳🐕感器信(xin)号進行濾波(bō),去除噪聲,以(yi)便正确提取(qu)頻率信息.利(li)用💋小波變換(huàn)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(lí)出來16].小波變(bian)換可看成是(shì)--組帶通濾🏃🏻‍♂️波(bo)器,具有低頻(pin)處分♋辨率高(gāo)、高頻處分辨(bian)率低的特點(dian),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(qì)的設計方法(fǎ)很多,最通用(yong)的方法是利(lì)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(děng).采用Buttenworth濾波、低(di)通濾波、中位(wei)🙇🏻數濾波🤟相結(jie)合的濾波方(fāng)法對原始的(de)🐅渦街信号進(jìn)行處理,該方(fāng)法能滿足低(dī)通濾波要求(qiu),通過合理選(xuǎn)擇窗口長度(dù)⛹🏻‍♀️可以有效濾(lǜ)除脈沖噪聲(sheng)(".但是在實際(jì)應用時,信号(hào)需要經過三(san)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(fa)展的關鍵技(jì)🚩術主要集中(zhong)在以下方面(miàn)..
3.1傳感器設計(jì)
　　設計更加傳(chuan)感器.探頭電(dian)容極闆的基(jī)體在高溫下(xià)成型🙇🏻.增強抗(kàng)高溫特性,使(shi)核心部件的(de)内部結構可(ke)靠性更高.采(cai)用現代流場(chang)分析技術.對(duì)傳感器的具(ju)🐕體結構以及(jí)安裝位置🌏進(jìn)一步改進,增(zeng)強抗振性能(néng),可以消除各(ge)個方向㊙️的振(zhen)動幹擾,穩定(ding)漩渦,使渦街(jiē)🍓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(xing)更加穩定.通(tong)頻帶能自動(dong)跟蹤,無須電(dian)位器或撥動(dòng)開關調整頻(pín)帶和靈敏度(dù),無零漂移,量(liàng)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(zì)化現場總線(xiàn)的智能渦街(jie)流量計.目前(qian),現場總線技(ji)🌈術是智能儀(yí)表的研究熱(rè)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(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(gōng)業标準,依照(zhào)相應的通訊(xùn)協議,完成HART協(xie)議數據鏈路(lu)層和應用層(céng)的軟件設計(ji),實現HART總線通(tōng)信功能.
3.3數字(zi)信号處理方(fang)法的設計
　　應(yīng)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(jìn)一-步提高分(fèn)辨率.幹擾信(xìn)号🛀🏻與渦♊街信(xin)号在❌同一頻(pin)段的情況已(yǐ)有研究,當兩(liǎng)種信✊号的頻(pin)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(xi)方法時,若所(suo)選用幅頻特(te)性的過渡帶(dài)不夠🔴陡,則💋使(shǐ)得它分頻特(te)性🈚不好,會造(zao)成頻率分辨(bian)率不夠高.同(tóng)時，靠近渦街(jie)頻率的諧波(bō)不易濾幹🤞淨(jìng),将會影響測(cè)量精度,因此(cǐ)還需要研究(jiū)函數的選取(qu)、分級,濾波器(qì)的幅頻特性(xing)和中心頻率(lǜ)的調整采樣(yàng)🥰頻率和采樣(yang)點數如何确(què)定,以及在軟(ruan)件編程中如(ru)何優化算🔆法(fǎ),使♈計算量少(shǎo)、内存占用量(liang)少和😘運算誤(wù)差小,以保證(zhèng)體積小.實時(shí)性好和計算(suàn)精度✊高等問(wen)題.研究強幹(gàn)擾噪聲是以(yi)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(he)噪聲的判别(bie)、分離及提取(qu)問題,在傳感(gan)💞器條件一定(dìng)的情況下,考(kǎo)慮利用信号(hào)處理技術擴(kuò)大量程比,提(tí)高小流量測(cè)量精度,全面(mian).深入地研究(jiu)流場噪聲以(yi)及它們對渦(wo)街信号影響(xiǎng)等.
4結語
　　渦街(jiē)流量計在流(liú)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(li)強.通用㊙️性好(hǎo)等特點.通過(guo)對電容式渦(wō)街流量計測(cè)量原理和系(xi)統組成的🈲理(lǐ)解.信号處理(li)方法的🥰比較(jiào)及對該流量(liang)計研制的關(guān)鍵技術問題(tí)的分析,可以(yi)對電容🈲式渦(wo)街流量計有(you)很清楚的認(ren)識,有助于對(dui)渦街流量計(ji)的設計與研(yan)究.

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