渦街流量(liàng)計 是上世紀60年(nián)代末期發展起(qǐ)來的一種振動(dòng)頻率與流速成(chéng)正🙇‍♀️比的流量計(ji)。針對渦街流量(liàng)計在低流速時(shí)幅♈值小而高流(liu)速幅值大,且低(dī)流速信噪比低(di)而高流速信噪(zao)比高的特點，設(shè)計了一套雙通(tōng)道渦街🐕流量計(ji)信号處理方🙇‍♀️法(fa)，通過測量通道(dào)與監測通道的(de)配合工作,提升(sheng)了低流速的測(ce)量性能,擴大了(le)渦街流量計測(cè)量量程。
　　理論上(shang),渦街流量計的(de)測量量程比可(kě)達幾百比一-1,但(dàn)由于渦街流量(liang)計在測量低流(liú)速時産生的旋(xuan)渦壓力小，初🙇🏻始(shǐ)信号較微弱,同(tóng)時受現場複雜(za)工況的影響,在(zai)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進行低☂️流速測(cè)量時不能有效(xiào)進行濾波,容易(yi)被噪聲淹沒。目(mu)前國内的渦街(jiē)流量計産品量(liàng)程比多爲10:1到15:1。
　　本(ben)文以壓電式渦(wo)街流量計爲基(jī)礎，根據渦街流(liú)量計信号與噪(zào)聲的特點,通過(guo)改進前置放大(da)電路和♋濾波處(chù)理電路，設計了(le)雙通道渦街流(liú)量計信号處理(lǐ)系統，從而實現(xian)整個工作頻段(duàn)的流🆚量測量,達(da)到提高測量量(liàng)程比的目的。
1渦(wō)街流量計的信(xìn)号特點
　　渦街流(liú)量計的振動頻(pin)率與流速(流量(liàng))之間的關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲斯特勞哈(ha)爾數;f爲輸出頻(pín)率;V爲流體流速(sù);d爲旋㊙️渦發生體(ti)寬度。
　　工程中常(cháng)用下式進行流(liú)體流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shì)中:qv爲體積流量(liàng);K爲儀表系數。
2雙(shuāng)通道渦街流量(liang)計信号處理方(fang)法分析
2.1測量通(tong)道信号處理方(fāng)法分析
　　本設計(ji)采用由具有1/f²衰(shuāi)減(-40dB/dec)特性的低頻(pín)濾波器和二階(jie)高通💯濾波⭕器(40dB/dec)組(zu)成的帶通濾波(bō)器來對原始信(xin)号的幅頻特性(xìng)進行處理。該濾(lü)波器的幅頻特(te)性爲:
 
　　在低頻段(duan)，渦街信号經過(guo)相同轉折頻率(lü)的低通濾波器(qi)，輸出🌈幅值爲常(chang)數;在高頻段,低(di)通濾波器轉折(she)頻率後移，使低(dī)通濾波器👄基本(běn)放開。圖1爲50mm口徑(jing)管道♍液體的頻(pin)率段劃分示意(yì)圖。此四頻段信(xìn)号處理方法構(gou)成的“測量通道(dao)”是整個渦街信(xìn)号處理體系的(de)主體通道。
 
2.2監測(ce)通道信号處理(li)方法分析
　　爲監(jian)測信号由低頻(pin)突變爲高頻時(shi)的狀況，本文設(she)計了一個由轉(zhuǎn)折頻率爲fL=fmax/2=70Hz的一(yī)階低通濾波器(qi)與轉折頻率爲(wei)fH=8*fmin=16Hz的一階高通濾(lü)波器組成的帶(dài)通濾波器📐作爲(wèi)“監🔞測通道🐉”。圖2爲(wei)“監測通道”的幅(fu)頻♌曲線示意圖(tu)🈲。
 
3渦街流量計信(xìn)号處理硬件設(she)計
　　硬件系統主(zhǔ)要包括前置放(fàng)大電路、可控增(zēng)益調整電路、測(ce)量通道以及監(jiān)測通道單元。各(gè)部分電路之間(jiān)相互協調完🥵成(chéng)整個硬件系統(tǒng)的信号處理。
3.1前(qián)置放大電路
　　本(ben)文采用儀表放(fang)大器INA118作爲前置(zhì)放大電路，以此(cǐ)完成壓✂️電傳感(gan)器的輸入信号(hào)放大轉換。如圖(tú)3,INA118采用單電源💋供(gòng)電🔴,Ref爲信号地㊙️的(de)參考電平,爲+V∞/2。
 
3.2可(ke)控增益調整電(dian)路
　　可控增益調(diào)整電路由一個(ge)階高通濾波電(dian)路和一個可調(diào)增益🔞的同相放(fàng)大器組成。以此(cǐ)來配合測量通(tong)道,發揮儀表的(de)寬量程優勢，完(wan)成回路的閉環(huán)自動增益調整(zhěng)。如圖4,U5爲256抽頭100kQ2數(shu)字電位器,C43.,C40.,C39電容(rong)通過模拟開關(guān)選通不同的組(zu)合，形成❄️具有隔(gé)直和分頻段濾(lǜ)波作用的轉折(shé)頻率可⚽控的一(yī)階高💁通濾波器(qì)。同✌️相放大器的(de)💁放👈大倍數爲1+RP0/R5。
 
3.3測(cè)量通道
　　測量通(tong)道是整個硬件(jiàn)系統的核心部(bù)分，包括數控帶(dai)通濾㊙️波器和硬(ying)件脈沖整形電(dian)路，以此完成信(xin)号的濾波處🤩理(lǐ)和脈沖整形任(rèn)務。數控帶通濾(lü)波器由✊兩個具(ju)有相同的轉折(she)🛀頻率的一階低(dī)通濾波器和一(yi)個二階高通濾(lǜ)波⁉️器組成，如圖(tú)5所示。
 
　　硬件脈沖(chòng)整形電路如圖(tu)6所示,爲一個施(shi)密特觸發器,對(dui)⚽經過濾波的信(xìn)号進行觸發整(zheng)形，得到包含信(xin)号頻率信息的(de)方波信号。施密(mi)特觸發器的高(gāo)低觸發阈值電(diàn)壓由以下二🔞式(shì)決定:
 
　　式中VH爲高(gāo)觸發阈值;VL爲低(di)觸發阈值;VCH爲高(gāo)電平電壓;VCL爲低(dī)電💰平💜電壓;VREF爲參(can)考電壓。在本設(she)計中，電源電壓(ya)爲3.3V,單電源供電(dian)🧡，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信号參考(kǎo)點爲0~3.3V的中心點(diǎn)1.65V,所以VREF=1.65V;施密特🤩觸(chu)發阈🚶‍♀️值VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tōng)道
　　如圖7爲監測(ce)通道的濾波電(dian)路。電阻U21-P1和電容(rong)C2構成一階🔞低通(tōng)濾波，電阻U21-P0和電(dian)容C44構成一階高(gao)通濾波。若介質(zhi)爲液體,則模拟(ni)開關U25關斷;若介(jiè)質爲氣體,則選(xuan)通模拟開關。此(ci)處施密特觸發(fā)阈值VH-VL=0.78V。
 
4實驗結果(guǒ)與分析
　　本設計(jì)在50mm口徑渦街流(liú)量計實驗裝置(zhì)上進行試驗。圖(tú)8所👣示爲信号流(liú)各測試點波形(xing)圖。圖8a上方的波(bō)形爲前置放大(dà)後.輸出的波🤞形(xing)(TPO),壓電傳感器輸(shū)出的差分信号(hao)經前置儀表放(fang)大器輸出轉換(huàn)後，得到的正弦(xian)信号,但♋信号信(xìn)噪比相對較差(chà);下方的波形爲(wèi)經過測量通道(dào)濾波輸出之後(hòu)的波形(TP1),經💃🏻過濾(lǜ)波去噪放大處(chù)理,得到🐕的高信(xìn)噪比信号。圖8b下(xia)方波形即是經(jing)過測量通道濾(lǜ)波輸出之後的(de)波形(TP1);上方波形(xing)爲經過軟件脈(mò)沖整形♋之後輸(shu)出的方波信❗号(hao)(TP4),對于峰峰值大(dà)于設定阈值的(de)模拟信号，軟件(jiàn)脈沖整形都能(néng)正确輸出方波(bō)。圖8c.上方波形即(jí)爲經過軟件脈(mo)沖❗整形之後輸(shū)出的方波信号(hao)(TP4),因爲有存在小(xiao)于脈沖整形阈(yu)值的信号，緻使(shǐ)輸出方波♻️存在(zài)缺波現象;下方(fāng)波形爲經過功(gōng)率最大頻率點(diǎn)周期估計之後(hou)輸出的波形(TP5),通(tōng)過軟件濾波最(zui)大程度⭐的複原(yuán)了真實🔴的信号(hào)波形，保證了測(cè)量精度。
 
　　在開發(fā)過程中,渦街流(liu)量計的校準檢(jiǎn)定是必不可💚少(shao)的。通過💚校準可(kě)以确定渦街流(liú)量計的性能指(zhi)标，尋找影響儀(yi)表特性的各種(zhong)因素,爲提高儀(yi)表性能提供依(yi)據。本文對50mm口徑(jing)液體渦街流量(liang)計采用靜态容(rong)積法進行校準(zhun)檢🏃定,其流量檢(jian)定範圍爲1~50m³/h,流量(liang)檢定點分别爲(wèi)2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定(ding)數據如表1所示(shi):
 
　　由計算得:儀表(biǎo)系數:9.4179(次/L)線性度(dù):±2.56%
　　重複性:0.142%基本誤(wu)差:2.564%
　　國内渦街流(liu)量計在50mm口徑時(shí)，對液體的測量(liang)範圍一般🔱爲3~50m³/h,本(běn)文所設計的渦(wō)街流量計信号(hao)處理方法的測(cè)量下限達到了(le)1.2m³/h左右，拓展了2.5倍(bei)左右的測量下(xià)限,使量程範圍(wei)擴大了2.5倍。
　　由表(biao)1的液體檢定數(shù)據可見，在對中(zhong)高流速的測量(liang)下,即10~50m³/h範💘圍内♊，檢(jiǎn)定的儀表系數(shù)穩定在9.2左右，但(dan)在1.2m³/h低流速的情(qing)況下達到了9.6594,因(yīn)此産生了較大(da)的線性度和基(jī)本誤差。在1.2m³/h流速(su)點時儀表系數(shù).上升明顯,但是(shì)1.2m³/h流速下的3個測(ce)試點重複性較(jiào)好(0.142%),而且通過示(shì)波器監視頻率(lǜ)輸出波形,看到(dao)脈沖輸出均🧑🏽‍🤝‍🧑🏻勻(yún),沒有看到誤捕(bǔ)捉脈沖的情況(kuang)，因此考慮主要(yao)是由于小口徑(jing)低流速下儀表(biao)系數本身的非(fei)線性造成的。通(tong)過，上位機後期(qī)的軟件非線性(xing)修正，完全可以(yǐ)得到線性度理(li)想的儀表系數(shu)。

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