渦街流量(liang)計 是上世(shi)紀60年代末(mo)期發展起(qi)來的一種(zhong)振動頻率(lü)與㊙️流速❗成(cheng)正比‼️的流(liu)量計。針對(dui)渦街流量(liang)計在低流(liu)速時幅值(zhi)小而高💋流(liu)速幅值大(da),且低流速(su)信噪比低(di)而高流速(su)♻️信噪比高(gao)的特點，設(she)計了一套(tao)🌈雙通道渦(wo)街流量計(ji)信号處理(li)方法，通過(guo)測量通道(dao)與監測通(tong)道💃的配合(he)工作🌂,提升(sheng)了低流速(su)的測量性(xing)⛷️能,擴大了(le)渦街流量(liang)計測量量(liang)程。
　　理論上(shang),渦街流量(liang)計的測量(liang)量程比可(ke)達幾百比(bi)一-1,但由于(yu)🔞渦街流量(liang)計在測量(liang)低流速時(shi)産生的旋(xuan)渦壓力🌍小(xiao)，初始信号(hao)較微弱🌍,同(tong)時受現場(chang)複雜工況(kuang)的✊影響,在(zai)♈進行低流(liu)速測量時(shi)不能有效(xiao)進行濾波(bo),容易被噪(zao)聲淹沒。目(mu)前國内的(de)渦街流量(liang)計産品量(liang)程❤️比多爲(wei)10:1到15:1。
　　本文以(yi)壓電式渦(wo)街流量計(ji)爲基礎，根(gen)據渦街流(liu)量計信号(hao)與噪💚聲的(de)特點,通過(guo)改進前置(zhi)放大電路(lu)和濾波😄處(chu)理電路，設(she)計了雙通(tong)道渦街流(liu)量計信号(hao)處⭐理系統(tong)，從而實現(xian)整個工作(zuo)頻🐇段的流(liu)量測量,達(da)到提高測(ce)量量程比(bi)的目的。
1渦(wo)街流量計(ji)的信号特(te)點
　　渦街流(liu)量計的振(zhen)動頻率與(yu)流速(流量(liang))之間的關(guan)系🌐(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式中:St爲(wei)斯特勞哈(ha)爾數;f爲輸(shu)出頻率;V爲(wei)流體流速(su);d爲🔴旋渦發(fa)生體寬度(du)。
　　工程中常(chang)用下式進(jin)行流體流(liu)量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲體積(ji)流量;K爲儀(yi)表系數。
2雙(shuang)通道渦街(jie)流量計信(xin)号處理方(fang)法分析
2.1測(ce)量通道信(xin)号處理方(fang)法分析
　　本(ben)設計采用(yong)由具有1/f²衰(shuai)減(-40dB/dec)特性的(de)低頻濾波(bo)器和二階(jie)高㊙️通濾波(bo)器(40dB/dec)組成的(de)帶通濾波(bo)器來對原(yuan)始信号💃🏻的(de)幅頻特性(xing)進行處理(li)。該濾波器(qi)的幅頻特(te)性爲:
 
　　在低(di)頻段，渦街(jie)信号經過(guo)相同轉折(she)頻率的低(di)通濾波器(qi)，輸出幅值(zhi)爲常數;在(zai)高頻段,低(di)通濾波器(qi)轉折頻率(lü)後移，使低(di)☎️通濾波器(qi)基本放開(kai)。圖1爲50mm口徑(jing)管道💜液體(ti)的頻率段(duan)劃分示意(yi)圖。此四頻(pin)段信号處(chu)理方🔞法構(gou)成的“測量(liang)通道🍓”是整(zheng)個渦街信(xin)号處🌍理體(ti)系的🏃🏻‍♂️主體(ti)通道。
 
2.2監測(ce)通道信号(hao)處理方法(fa)分析
　　爲監(jian)測信号由(you)低頻突變(bian)爲高頻時(shi)的狀況，本(ben)文設計👅了(le)一個由轉(zhuan)折頻率爲(wei)fL=fmax/2=70Hz的一階低(di)通濾波器(qi)與轉折頻(pin)🌐率爲fH=8*fmin=16Hz的一(yi)❌階高🧡通濾(lü)波器組成(cheng)的帶通濾(lü)波器作爲(wei)“監測通道(dao)”。圖2爲“監測(ce)通道”的幅(fu)頻曲線示(shi)意圖。
 
3渦街(jie)流量計信(xin)号處理硬(ying)件設計
　　硬(ying)件系統主(zhu)要包括前(qian)置放大電(dian)路、可控增(zeng)益調整電(dian)路、測量通(tong)道以及監(jian)測通道單(dan)元。各部分(fen)電路之間(jian)相互協🔴調(diao)完成整個(ge)硬件系統(tong)的信号處(chu)理。
3.1前置放(fang)大電路
　　本(ben)文采用儀(yi)表放大器(qi)INA118作爲前置(zhi)放大電路(lu)，以此完成(cheng)壓電傳⛱️感(gan)器的輸入(ru)信号放大(da)轉換。如圖(tu)3,INA118采用單⭕電(dian)源供電💛,Ref爲(wei)信🌈号地的(de)參考電平(ping),爲+V∞/2。
 
3.2可控增(zeng)益調整電(dian)路
　　可控增(zeng)益調整電(dian)路由一個(ge)階高通濾(lü)波電路和(he)一個可調(diao)📐增益的同(tong)相放大器(qi)組成。以此(ci)來配合測(ce)量通道,發(fa)揮🌈儀表的(de)寬量程✂️優(you)勢，完成回(hui)路的閉環(huan)自🍉動增益(yi)調整。如❓圖(tu)4,U5爲256抽頭100kQ2數(shu)字電位器(qi),C43.,C40.,C39電容通過(guo)模🛀🏻拟開關(guan)選通不同(tong)的組合，形(xing)成具有隔(ge)直和分頻(pin)段濾波作(zuo)用的轉折(she)頻率可控(kong)的一階高(gao)通濾波器(qi)。同相放大(da)器的㊙️放大(da)倍數爲1+RP0/R5。
 
3.3測(ce)量通道
　　測(ce)量通道是(shi)整個硬件(jian)系統的核(he)心部分，包(bao)括數控帶(dai)🐇通濾波🔴器(qi)㊙️和硬件脈(mo)沖整形電(dian)路，以此完(wan)成信号的(de)濾波處🐆理(li)和脈沖✊整(zheng)形任務。數(shu)控帶通濾(lü)波器由兩(liang)個具有相(xiang)同的轉折(she)頻率的一(yi)階低通濾(lü)波器和一(yi)個二階🐇高(gao)通濾波🥵器(qi)組成，如圖(tu)5所示。
 
　　硬件(jian)脈沖整形(xing)電路如圖(tu)6所示,爲一(yi)個施密特(te)觸發器🌈,對(dui)經過濾🈲波(bo)的信号進(jin)行觸發整(zheng)形，得到包(bao)含信号頻(pin)率信息的(de)方波信号(hao)。施密特觸(chu)發器的高(gao)低觸發阈(yu)值電壓由(you)以下二式(shi)決定:
 
　　式中(zhong)VH爲高觸發(fa)阈值;VL爲低(di)觸發阈值(zhi);VCH爲高電平(ping)電壓;VCL爲低(di)❗電平電壓(ya);VREF爲參考電(dian)壓。在本設(she)計中，電源(yuan)電壓爲3.3V,單(dan)❄️電源供電(dian)，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信号(hao)💞參考點爲(wei)0~3.3V的中心點(dian)1.65V,所以‼️VREF=1.65V;施密(mi)特觸發阈(yu)值VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tong)道
　　如圖7爲(wei)監測通道(dao)的濾波電(dian)路。電阻U21-P1和(he)電容C2構成(cheng)一階低🔞通(tong)濾波，電阻(zu)U21-P0和電容C44構(gou)成一階高(gao)通濾波。若(ruo)介質爲液(ye)體,則模拟(ni)開關U25關斷(duan);若介質爲(wei)氣體,則選(xuan)通模拟開(kai)關。此處施(shi)密特觸發(fa)阈❗值VH-VL=0.78V。
 
4實驗(yan)結果與分(fen)析
　　本設計(ji)在50mm口徑渦(wo)街流量計(ji)實驗裝置(zhi)上進行試(shi)驗。圖8所🎯示(shi)爲信号流(liu)各測試點(dian)波形圖。圖(tu)8a上方的波(bo)形爲前✂️置(zhi)放大後.輸(shu)出的波形(xing)(TPO),壓電傳感(gan)器輸出的(de)差分信号(hao)經前置儀(yi)表放大器(qi)輸出轉換(huan)後，得到的(de)正弦信号(hao),但信号信(xin)噪比相對(dui)較差;下方(fang)的波形爲(wei)經過測量(liang)通道濾波(bo)輸出之後(hou)的波形(TP1),經(jing)過濾波去(qu)噪🈲放大處(chu)理,得到的(de)高信噪比(bi)信号。圖8b下(xia)方波形即(ji)是🔴經過測(ce)量🔞通道濾(lü)波輸出之(zhi)後的波📧形(xing)(TP1);上方波形(xing)爲🌐經過軟(ruan)件脈沖整(zheng)形👣之後輸(shu)出的方波(bo)🛀🏻信号(TP4),對于(yu)峰🌏峰值大(da)于設定阈(yu)值的模拟(ni)信号，軟件(jian)脈沖整🔴形(xing)都🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能正确(que)輸出方波(bo)。圖8c.上方波(bo)形即爲經(jing)過軟件脈(mo)沖整形之(zhi)後輸出的(de)方波信号(hao)🐕(TP4),因爲有存(cun)在小于脈(mo)沖整形阈(yu)值的信号(hao)，緻使輸出(chu)方波存在(zai)缺波現象(xiang);下方波形(xing)爲🏃🏻經過功(gong)率最大頻(pin)率點周期(qi)估計之後(hou)輸出的波(bo)形(TP5),通過📞軟(ruan)件濾波最(zui)大程度的(de)複原了真(zhen)🐪實🙇🏻的信号(hao)波形，保證(zheng)了👄測量精(jing)度。
 
　　在開發(fa)過程中,渦(wo)街流量計(ji)的校準檢(jian)定是必不(bu)可少的。通(tong)過校準可(ke)以确定渦(wo)街流量計(ji)的性能指(zhi)标，尋找影(ying)響儀表特(te)性的各種(zhong)因素,爲提(ti)高儀表性(xing)能提供依(yi)據。本文對(dui)50mm口徑液體(ti)渦街流量(liang)計采用靜(jing)态容積法(fa)進行校準(zhun)檢定,其流(liu)量檢定範(fan)圍爲1~50m³/h,流量(liang)檢定點分(fen)别爲2%、10%、20%、40%.91%五點(dian)。具體檢定(ding)數據如表(biao)💞1所示:
 
　　由計(ji)算得:儀表(biao)系數:9.4179(次/L)線(xian)性度:±2.56%
　　重複(fu)性:0.142%基本誤(wu)差:2.564%
　　國内渦(wo)街流量計(ji)在50mm口徑時(shi)，對液體的(de)測量範圍(wei)一般爲3~50m³/h,本(ben)文所設計(ji)的渦街流(liu)量計信号(hao)處理方法(fa)的測量下(xia)限達到了(le)1.2m³/h左右，拓展(zhan)了2.5倍左右(you)的測量下(xia)限,使量程(cheng)🤞範圍擴大(da)了2.5倍。
　　由表(biao)1的液體檢(jian)定數據可(ke)見，在對中(zhong)高流速的(de)測量🙇‍♀️下,即(ji)🙇‍♀️10~50m³/h範♍圍内，檢(jian)定的儀表(biao)系數穩定(ding)在9.2左右，但(dan)在1.2m³/h低流速(su)的情況下(xia)達到了9.6594,因(yin)此産生了(le)較大的線(xian)性度和基(ji)本誤差。在(zai)1.2m³/h流速點時(shi)儀表系數(shu).上升明顯(xian),但是1.2m³/h流速(su)下的3個測(ce)試點✔️重複(fu)性較好(0.142%),而(er)且通過示(shi)波器🤟監視(shi)頻率輸🍓出(chu)波形,看到(dao)脈沖輸出(chu)均勻,沒有(you)看到誤捕(bu)捉脈沖的(de)情況，因此(ci)考慮主要(yao)是由于小(xiao)口徑低流(liu)速下儀表(biao)系數本身(shen)的非線性(xing)🏃‍♂️造成的。通(tong)過，上位機(ji)後期的軟(ruan)件非線性(xing)修正，完全(quan)可以👣得到(dao)線性☀️度理(li)想的💯儀表(biao)系數。

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