摘要:比較了渦(wō)街流量計 的測(ce)量方法,選用了(le)具有靈敏度高(gao)、耐熱性強抗震(zhen)性強等優點的(de)電容式渦街流(liu)量計,介紹了其(qí)測量原理✉️與系(xì)統組成.通過科(ke)學的理論推導(dǎo),獲得渦街力、偏(piān)轉💞角與電容的(de)關系,并将電容(rong)式渦街流量測(cè)量信号處理方(fāng)法進👄行分析和(hé)比較.最後👨‍❤️‍👨闡述(shu)了電容式渦街(jie)流量計研制的(de)技術關鍵.
　　渦街(jie)流量計具有精(jing)度高、量程比較(jiào)寬、線性度較好(hǎo)且适用各🚩種介(jie)質等一系列的(de)優點,在計量檢(jian)測中發揮越來(lai)越大的作㊙️用,有(you)着廣泛的應用(yong)前景,因此對渦(wo)街流量計🌈的研(yan)究具有重要的(de)意義.
　　渦街流量(liang)傳感器按檢測(ce)方式主要有熱(re)敏式、應力式、電(diàn)容🌐式等🏃‍♀️.熱敏式(shì)渦街傳感器靈(líng)敏度高,适宜低(dī)溫、低密度的氣(qì)體測量,但易受(shou)流體中污物的(de)影響或損壞.應(yīng)力式渦街傳感(gan)器具有響應快(kuai)、信号強、工藝性(xing)好、制🏃🏻‍♂️造成本低(di)等優點,但🈲抗震(zhèn)性相對較差,信(xin)⭐噪比較低,，在低(dī)密度、低流速環(huan)境振動大的場(chang)合不宜使用電(diàn)容⛱️式渦街流量(liàng)計與其他渦街(jie)流量計相比,具(jù)有靈敏度高、耐(nai)熱性強、抗震性(xing)強等優點,因而(er)🚶在工業企業中(zhong)得到了廣泛的(de)應用.
1電容式渦(wo)街流量測量原(yuán)理與系統組成(chéng)
　　渦街流量計是(shì)利用流體振蕩(dang)原理來測量流(liú)量或流速.在流(liú)體😄中放置一個(ge)具有均勻斷面(mian)形狀的擋💚體，在(zài)擋體的兩側會(huì)交替産生一種(zhǒng)有規律的漩渦(wo),并向下遊流去(qu),非對稱地形成(chéng)二列漩渦列,即(ji)卡門😄渦街.利用(yong)這種漩渦産生(shēng)的規律,根據漩(xuan)渦産生的頻率(lü)ƒ,通過
 
　　其中,ʋ表示(shi)流體流速;d表示(shì)漩渦發生體特(tè)征寬度;m表示漩(xuan)渦發生體兩側(cè)弓形面積與管(guan)道橫截面面積(ji)之比;Q表示體積(ji)🌏流量🛀;D表示管道(dào)内徑;k表示流量(liàng)計儀表系數.斯(sī)特哈爾數爲無(wú)量綱⛹🏻‍♀️參數,它🙇‍♀️與(yǔ)旋渦發生體形(xíng)狀及雷諾數有(you)關，在雷諾數的(de)範圍爲2x104~7X106時,s;可視(shi)💁爲常數,即儀表(biao)正常工作範圍(wei).
　　電容式渦街傳(chuan)感器的檢測元(yuan)件是一-根剛性(xing)空心圓杆🐪,當渦(wō)街作用在圓杆(gan)底部時,剛性圓(yuan)杆會繞着固定(dìng)點偏轉.圓☁️杆.上(shang)部作爲電容的(de)-一個極闆,，與另(lìng)👈外兩個電極組(zu)成差動電容,差(chà)動電容值會随(suí)圓杆擺動而改(gai)變,其規律爲與(yu)渦街發生同頻(pín)率的周期🔞性變(bian)化.轉換⛱️器檢測(cè)電容的變化,并(bing)轉換爲脈沖信(xìn)🌏号,該脈沖頻🏃🏻‍♂️率(lǜ)就是渦街的發(fa)🏃🏻‍♂️生頻率,與流量(liàng)大小成正比.轉(zhuan)換器最終輸出(chu)流量大小爲4~20mA模(mo)拟信号或通♍過(guò)HART現場總線輸出(chū)數字信号.電容(róng)傳感器如圖1所(suǒ)🙇‍♀️示，.
 
　　渦街力與偏(pian)轉角的關系是(shi)根據轉動的物(wù)體遵循牛頓♋轉(zhuǎn)動定💰律得出,通(tōng)過必要的理論(lun)推導,獲得渦街(jie)力、偏轉角與電(diàn)容的關系爲
 
　　其(qí)中，T表示物體所(suǒ)受到的力矩;J表(biǎo)示物體轉動慣(guàn)量;θ表示㊙️角位移(yí);C表示粘性摩擦(ca)系數.
渦街力與(yǔ)流速之間的關(guan)系爲
 
　　其中，F表示(shi)渦街産生的交(jiāo)替推力，T=F*R;CL表示無(wú)量綱系數;ʋ表🚩示(shì)流體的流速;Q表(biao)示流體的密度(du);D表示管道内徑(jing)🔴;d表示🌈漩渦發生(sheng)體迎流面🚩寬度(du).
最後偏轉角與(yǔ)電容的關系爲(wèi)
 
　　其中,△C表示差動(dong)電容;Ɛ表示電容(róng)介質系數;b表示(shì)極闆寬度;δ表示(shi)兩🔞極闆的間距(jù).
　　電容式渦街流(liú)量計由傳感器(qì)和轉換器兩部(bù)分組成.傳🔞感💚器(qi)包🍉括漩渦發生(sheng)體(阻流體)檢測(ce)元件、儀表表體(tǐ)等;轉換器包括(kuò)🤩電荷✉️檢測電路(lù)、濾波整形電路(lù)❓、微處理器、D/A轉換(huàn)電路、輸👨‍❤️‍👨出接口(kǒu)電路、顯💰示通信(xìn)電路、端子、支架(jia)和防護罩等.
2電(diàn)容式渦街流量(liang)測量計信号處(chu)理方法比較
　　渦(wo)街流量信号由(you)兩部分組成:--是(shi)由流速産生的(de)正弦渦街信号(hao),1二是幹擾引起(qǐ)的噪聲信号,因(yīn)此渦街信号❌遠(yuan)非理想的正弦(xian)波信号,而是一(yi)個混有強噪聲(shēng)的混合信号㊙️.現(xian)在，已經提出😍了(le)很多種處理渦(wo)街✌️信号的方法(fa),用來提取流量(liàng)信号的頻率.
2.1譜(pǔ)分析信号處理(li)方法
　　建立噪聲(sheng)模闆和信号模(mó)闆的基礎上,用(yong)譜分析方法消(xiāo)除渦街流量計(jì)中的強噪聲是(shi)近年來研究熱(re)點之一,利用該(gai)方法💯解決強幹(gan)擾條件下渦街(jiē)流量計測量問(wèn)題.首先将頻率(lü)測量範圍分段(duan),在不同頻段建(jian)立噪聲模闆,然(ran)後用混合信号(hào)的功率譜與噪(zào)🈲聲模闆,提取✍️噪(zào)聲,再利用插值(zhi)法消除噪聲,最(zuì)後對消除噪聲(shēng)的信🛀号進行頻(pin)譜分📧析,計算出(chu)頻率，利用頻譜(pǔ)校正法提高🏃‍♂️計(jì)算精度[31.但是,噪(zao)聲情況各種各(ge)樣.不易獲得噪(zào)聲的🔴所有模闆(pan).經典譜分析算(suan)法對正态分布(bu)的白噪聲有很(hěn)好的抑制作用(yòng)，方法直觀,容易(yi)編程實現.但🐕在(zai)非整周期采樣(yang)時誤差較大,需(xū)要進行頻譜校(xiào)正.而現代譜分(fen)析方法更适合(hé)短序列的🆚譜分(fen)析,對噪聲抑制(zhi)能力強,精度高(gao),但建模階🏒數對(dui)功率譜計算的(de)結果有影響🚩,有(yǒu)時還存在譜線(xiàn)分裂現象.
2.2自适(shi)應濾波信号處(chu)理方法
　　采用基(jī)于最小均方自(zì)适應算法的現(xiàn)代譜分析處理(li)流量信号.自适(shì)應濾波方法采(cai)用十抽一濾波(bo)器和高低通濾(lü)波器.自✉️适應陷(xian)波針對不同頻(pín)率的信号建立(li)✌️不同參數的模(mo)型,在非整周期(qi)采樣、諧波和噪(zào)聲千擾情況下(xia)頻率測量都🐅能(néng)達到較好的精(jing)度🚩,其不足之處(chù)是采樣點數多(duō),計算時間長,實(shi)時性差.如果流(liú)量信号發生突(tū)變,而采樣頻率(lü)沒有及時跟蹤(zōng),會造成較大的(de)測量誤差.由漩(xuan)渦發生體、熱線(xiàn)探☀️針、前置處理(lǐ)電路和APPLE微機構(gou)成測量系🔞統,驗(yan)證了譜分析方(fang)法用于渦街流(liu)量計信号處理(li)的可行性,但🌈是(shi),這種方法對諧(xié)波幹擾的抑制(zhi)能力較差.
2.3熵譜(pu)法信号處理方(fāng)法
　　對周期圖譜(pu)分析和基于Burg的(de)現代譜分析方(fang)法一最大熵譜(pǔ)法,用于渦街流(liú)量計的信号處(chu)理進行了研究(jiū),發⭕現周期圖譜(pu)分析方♉法對長(zhǎng)序列的計算精(jing)度高,對諧波的(de)抑制能力強,處(chù)理🔴非過零采樣(yang)的數據時,計算(suàn)精度不受影響(xiang),基于Burg算法的譜(pǔ)分析方法,先🔆建(jiàn)立自回歸模型(xíng),再計算功率譜(pu)'51.采用😍Burg算法,以正(zhèng)反向線性預測(ce)誤🥵差能量的平(ping)方💃和最小爲準(zhǔn)則,來估計自回(huí)歸🔞模型的系數(shu),特别易于短序(xù)列的譜分析,分(fèn)❄️辨率較高.進行(hang)仿🛀🏻真後,發現Burg算(suan)法抑🆚制随機噪(zao)聲能力強,但抑(yi)制确定性噪聲(shēng),如渦街産生的(de)低頻擺🤟動噪聲(sheng)的能力比周期(qī)圖🐇法差.
2.4DSP軟硬件(jiàn)結合信号處理(lǐ)方法
　　采用DSP芯片(pian)将周期圖譜分(fen)析法和數字信(xìn)号處理器應用(yong)于㊙️渦街流量計(jì)的信号處理,研(yan)制了硬、軟件系(xì)統計算流量信(xìn)🌏号的🐇頻率⛷️,取得(de)了不錯的效果(guǒ).但是,采用DSP芯片(piàn),首先是價格㊙️較(jiào)高,其次在市電(diàn)供給困難的場(chǎng)合,如野外、井下(xia)、長期無人🔱值守(shǒu)的環境下,就不(bú)能采用DSP芯片作(zuo)爲處理器了,因(yīn)爲現有的DSP芯片(piàn)功耗至少有幾(ji)十毫安.基于FFT的(de)經典譜分析方(fang)法,直接用傅立(lì)葉變換對有限(xiàn)時間序列計算(suàn)功率譜，求取信(xin)号頻率.該方法(fǎ)能有效抑制諧(xie)波幹擾,但🏃‍♂️在非(fēi)整周期采樣時(shí),有較大的洩漏(lou)誤差,必須利用(yòng)頻譜💋校正🥰方法(fa)來提高測量精(jīng)度.
2.5小波變換信(xin)号處理方法
　　小(xiǎo)波變換可以作(zuo)爲--組帶通濾波(bō)器,用來對渦街(jiē)傳感器信号進(jin)行濾波,去除噪(zào)聲,以便正确提(tí)取頻率信息.利(lì)用小波變換🔞的(de)低通和帶通濾(lǜ)波特性,可以🐅把(bǎ)原始信号中的(de)不同頻率的信(xìn)号成分分離出(chu)來16].小波變換可(kě)看成是--組帶通(tōng)濾😄波器,具有低(dī)頻處分辨率高(gāo)、高頻處分辨率(lü)低的特點,但功(gong)耗和實時性需(xū)要進一步探讨(tao).
2.6數字濾波器信(xìn)号處理方法
　　數(shu)字濾波器的設(shè)計方法很多,最(zui)通用的方法是(shi)利用已經很成(cheng)熟的模拟濾波(bo)器的設計方法(fa),如Butteworh濾波💘器、Chebyshev濾波(bo)器、橢圓🈲濾波器(qi)等.采用Buttenworth濾波、低(dī)通濾波、中位✍️數(shu)濾波相結合的(de)濾波方法對原(yuán)始的渦街信号(hao)進行處理,該方(fang)法能滿足低通(tong)濾波要求,通過(guo)合理選✌️擇窗口(kou)長度可以有效(xiao)濾💃除脈沖噪聲(shēng)(".但是在實際應(ying)用時,信号需要(yào)經過三級濾波(bo),存在計算量大(dà)、實時性較差的(de)問題.
3電容式渦(wo)街流量計研制(zhì)的關鍵技術
　　綜(zōng)合國内外研究(jiu)狀況,渦街流量(liang)計研究的發展(zhan)的關鍵技術主(zhu)🌈要集中在以下(xia)方面..
3.1傳感器設(she)計
　　設計更加傳(chuán)感器.探頭電容(róng)極闆的基體在(zai)高溫下成型.增(zēng)強😍抗高溫特性(xìng),使核心部件的(de)内部結構可😄靠(kào)性更高.采用現(xiàn)代流場分析技(ji)術.對傳感器的(de)具體結構以及(ji)安🔞裝位置進一(yi)步🛀🏻改進,增強抗(kang)振性能,可以消(xiāo)除🥵各個方向的(de)振動幹擾,穩定(ding)漩渦,使渦街流(liú)量計在小流量(liàng)情況下的抗幹(gàn)擾能力更強,時(shi)域波形毛刺更(geng)☎️少,頻城波形更(geng)加穩定.通頻帶(dai)能自動跟蹤,無(wú)須🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電位器或撥(bō)動♌開關調整頻(pin)帶和靈敏度,無(wu)零漂移,量程自(zi)由設定，真正實(shi)現現🚩場免調試(shi).
3.2現場總線設計(ji)
　　采用全數字化(hua)現場總線的智(zhì)能渦街流量計(jì).目前,現🥵場總線(xiàn)技術是智能儀(yí)表的研究熱點(diǎn).可以考慮🙇🏻實際(ji)需求,增加HART總線(xiàn)硬件接口,該模(mo)塊采用抗幹擾(rao)能力強,通信速(sù)❄️率高,傳送數據(ju)精度高的電路(lu)來完成數據傳(chuan)送,它既有RS.485總線(xiàn)通信的抗幹擾(rǎo)🤩能力強的特點(dian),又具有輸出信(xin)号爲二線制4~20mA的(de)工業标準,依照(zhao)相應的通訊協(xie)議,完成HART協議數(shu)據鏈路層和應(ying)用層的軟件設(she)計,實現HART總線通(tōng)信功能.
3.3數字信(xìn)号處理方法的(de)設計
　　應用更加(jia)數字信号處理(lǐ)方法,能更好地(di)解決幹擾問題(tí),提高流量測量(liàng)精度,進一-步提(tí)高分辨率.幹擾(rao)信号與渦街信(xin)号在同一🐆頻段(duàn)的情況已有研(yan)究,當兩種信🔅号(hào)的頻率在同🔞一(yi)頻段🤟且頻率非(fei)常靠近時,研究(jiu)如何♌分辨這兩(liang)種信号,及如何(hé)消除噪聲信号(hao)🤩的頻譜對渦街(jie)信号頻譜的幹(gan)涉等.研究信号(hao)的分析方法時(shi),若所選用幅頻(pín)特性的過渡帶(dai)不夠陡,則💃使得(dé)它分頻特性不(bú)好,會造成頻率(lü)分辨率不夠高(gao).同時，靠近渦街(jie)頻率的諧波不(bú)易濾幹淨,将會(huì)影響測量精度(dù),因此還需要研(yán)究函數的選取(qǔ)、分級,濾波器的(de)幅頻特性和中(zhōng)心頻📱率的調整(zhěng)采樣頻率和采(cai)樣點數如何确(que)定,以及在軟☔件(jiàn)編程中如何優(you)化算💋法,使計算(suàn)量少、内存占用(yòng)量少和運算誤(wu)差小,以保證體(ti)積小🍉.實時性好(hao)和計算精度高(gāo)等問題.研究強(qiang)幹擾噪聲是以(yǐ)建立某種噪聲(sheng)的模📞闆爲基礎(chu),考慮🔞建立--種通(tōng)用的模闆,真正(zheng)解決🔴強幹擾下(xia)渦街信号和噪(zao)聲的判别、分離(li)及提取問題,在(zài)傳感器條件一(yī)定的情況下,考(kǎo)慮利用信号處(chu)理技術擴大量(liang)程比💞,提高小流(liú)量測量精✉️度,全(quán)面.深入地研究(jiu)流場噪聲以及(ji)它們對渦街信(xin)号影響等.
4結語(yu)
　　渦街流量計在(zai)流量測量中應(yīng)用非常廣泛,電(diàn)容式渦街流量(liàng)計💰具有抗振性(xìng)好、溫度适應能(neng)力強.通用性好(hao)等特點.通💁過對(duì)電容式渦街流(liu)量計測量原理(lǐ)和系統組成的(de)理解.信㊙️号處理(lǐ)方法的比較及(ji)對該流量計研(yan)制的關鍵技術(shù)問題🈚的分析,可(ke)🐇以對電容式渦(wō)街流量計有很(hěn)清楚的認識,有(yǒu)助于對渦街流(liu)量計的設計與(yu)研究.

本文 渦輪(lun)流量計 ，江蘇省(sheng)孝感尼蓝纺织(zhī)制造有限责任(ren)公司(WAP站)爲您提(tí)供，轉載請注明(ming)出處！！