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(dong)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(shi)幅值小♈而高流(liú)速💋幅值💘大,且低(dī)流速信噪比低(di)而🌈高流速信噪(zào)比高的特點，設(shè)計了一套雙通(tong)道渦街流量計(jì)信号處理方法(fǎ)，通過測量通道(dào)與㊙️監測通道的(de)配合工作,提升(shēng)了低流速的測(ce)量性🏃🏻‍♂️能,擴大了(le)渦🌐街流量計測(ce)量量程。
　　理論上(shang),渦街流量計的(de)測量量程比可(ke)達幾百比一-1,但(dan)☀️由于渦街流量(liang)計在測量低流(liu)速時産生的旋(xuán)渦壓力小，初始(shi)信🏃号較微弱,同(tóng)時受現場複雜(za)工況的✉️影響,在(zài)進行低流速測(ce)🐆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(jie)流量計💯産品量(liàng)程🏃🏻比多爲10:1到15:1。
　　本(ben)文以壓電式渦(wō)街流量計爲基(jī)礎，根據渦街流(liú)量計信号與噪(zao)聲的特點,通過(guò)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(xiàn)整個🈲工作頻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼段(duan)的流📱量測量,達(da)到提高測量量(liàng)程比的目的。
1渦(wo)街流量計的信(xìn)号特點
　　渦街流(liu)量計的振動頻(pín)率與流速(流量(liang))之間的關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲斯特勞哈(hā)爾數;f爲輸出頻(pín)率;V爲流體流速(su);d爲旋渦發生體(tǐ)寬度。
　　工程中常(chang)用下式進行流(liu)體流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shì)中:qv爲體積流量(liang);K爲儀表系數。
2雙(shuāng)通道渦街流量(liàng)計信号處理方(fang)法分析
2.1測量通(tōng)道信号處理方(fang)法分析
　　本設計(jì)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(bo)器來對原始信(xin)号的幅頻特❤️性(xing)進行處✔️理。該濾(lǜ)波器的幅頻特(tè)性爲:
 
　　在低頻段(duan)，渦街信号經過(guo)相同轉折頻率(lǜ)的低通濾波器(qì)，輸出幅值爲常(cháng)數;在高頻段,低(dī)通濾波器轉折(she)🌏頻率後移，使低(di)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(xin)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(qì)與轉折頻率爲(wèi)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(xin)号處理硬件設(shè)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(cè)量通道以及監(jian)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(tong)的信号處理。
3.1前(qian)置放大電路
　　本(běn)文采用儀表放(fàng)大器INA118作爲前置(zhi)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(gong)電,Ref爲信号地的(de)參考電平,爲+V∞/2。
 
3.2可(kě)控增益調整電(diàn)路
　　可控增益調(diao)整電路由一個(ge)階高通濾波電(diàn)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(tōng)道,發揮儀表的(de)寬量程🔞優勢，完(wán)成回路的閉環(huan)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(róng)通過模拟開關(guan)選通不同的組(zǔ)合，形成具有隔(gé)直和分頻段濾(lǜ)波作用的轉折(she)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(tōng)道是整個硬件(jiàn)系統的核心部(bu)分，包括數控帶(dai)🙇🏻通濾📐波器和硬(yìng)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(ren)務。數控帶通濾(lü)波器由兩個具(ju)有相同的轉折(shé)頻率的一階低(di)通濾波器和一(yī)個二階高通濾(lǜ)波器組成，如圖(tu)5所示。
 
　　硬件脈沖(chong)整形電路如圖(tú)6所示,爲一個施(shi)密特觸發器,對(dui)經過濾波的信(xin)号進行觸發整(zheng)形，得到包含信(xìn)号頻率信息的(de)方波📱信号。施密(mi)特觸發器的高(gao)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(dī)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(chù)發阈值VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tong)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(tong)🌈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(nǐ)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(guo)與分析
　　本設計(jì)在50mm口徑渦街流(liu)量計實驗裝置(zhì)上進行試驗。圖(tu)8所示爲信🆚号流(liu)各測試點波形(xíng)圖。圖8a上方的波(bō)形爲前置放大(da)後.輸出的波形(xing)(TPO),壓電傳感器輸(shū)出的差分信号(hào)經前置☀️儀表放(fàng)大器輸出轉換(huan)後，得到的正弦(xián)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(dao)濾波輸出之‼️後(hòu)的波形(TP1),經過濾(lü)波去噪✔️放大處(chù)理,得到😍的高信(xin)噪比信号。圖8b下(xià)方波形即是經(jīng)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(mo)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(jian)脈沖整形都能(néng)正确輸出方波(bo)。圖8c.上方波形即(ji)爲經過♊軟件脈(mo)沖🌂整形之後輸(shū)✔️出的方波信号(hào)(TP4),因爲有存在小(xiǎo)于脈沖🈲整形💔阈(yu)值的信号，緻使(shi)輸出方波🏃存在(zai)缺波現象;下方(fāng)波形爲經過功(gong)率最大頻率點(diǎn)周期估💛計之後(hou)輸出的波形(TP5),通(tong)過軟件濾波最(zuì)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(fa)過程中,渦街流(liú)量計的校準檢(jian)定是必不可少(shǎo)♈的。通過校準可(kě)以确定渦街流(liu)量計的性能指(zhǐ)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(yī)據。本文對50mm口徑(jìng)液體渦街流量(liang)計采用靜态♌容(róng)積法進行校準(zhun)檢定,其流量檢(jian)定範圍爲1~50m³/h,流量(liàng)檢定點分别爲(wei)2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定(dìng)數據如表♉1所示(shì):
 
　　由計算得:儀表(biao)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(liú)量計在50mm口徑時(shí)，對液體的測量(liàng)範圍一般爲3~50m³/h,本(běn)文所設計的渦(wo)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(bèi)左右的測量下(xia)限,使量程範圍(wéi)擴大了2.5倍✉️。
　　由表(biao)1的液體檢定數(shu)據可見，在對中(zhōng)高流速的測量(liang)下👄,即10~50m³/h範🍉圍内，檢(jian)定的儀表系數(shù)穩定在9.2左右，但(dàn)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(ji)本誤差。在💃1.2m³/h流速(su)點時儀表系數(shu).上升明顯,但是(shi)1.2m³/h流速下的3個測(cè)試點重複性較(jiào)好(0.142%),而且通過示(shi)波器💃監視頻率(lü)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(kuàng)，因此考慮主要(yào)是由于小🏒口徑(jìng)🛀🏻低流速下儀表(biao)系數本身的非(fēi)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(lǐ)想的儀表系數(shu)。

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