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  时间:2022-12-13 08:21:47

双通道的涡街流量计信号处理

  涡街流量计是上世纪60年代末期发展起来的一种振动频率与流速成正比的流量计。针对涡街流量计在低流速时幅值小而高流速幅值大,且低流速信噪比低而高流速信噪比高的特点,设计了一套双通道涡街流量计信号处理方法,通过测量通道与监测通道的配合工作,提升了低流速的测量性能,扩大了涡街流量计测量量程。
  理论上,涡街流量计的测量量程比可达几百比一-1,但由于涡街流量计在测量低流速时产生的旋涡压力小,初始信号较微弱,同时受现场复杂工况的影响,在进行低流速测量时不能有效进行滤波,容易被噪声淹没。目前国内的涡街流量计产品量程比多为10:1到15:1。
  本文以压电式涡街流量计为基础,根据涡街流量计信号与噪声的特点,通过改进前置放大电路和滤波处理电路,设计了双通道涡街流量计信号处理系统,从而实现整个工作频段的流量测量,达到提高测量量程比的目的。
1涡街流量计的信号特点
  涡街流量计的振动频率与流速(流量)之间的关系(3):
f=(St×v)/d(1)
  式中:St为斯特劳哈尔数;f为输出频率;V为流体流速;d为旋涡发生体宽度。
  工程中常用下式进行流体流量测量(4:
qv=3600×tf/K(2)
  式中:qv为体积流量;K为仪表系数。
2双通道涡街流量计信号处理方法分析
2.1测量通道信号处理方法分析
  本设计采用由具有1/f²衰减(-40dB/dec)特性的低频滤波器和二阶高通滤波器(40dB/dec)组成的带通滤波器来对原始信号的幅频特性进行处理。该滤波器的幅频特性为:
 
  在低频段,涡街信号经过相同转折频率的低通滤波器,输出幅值为常数;在高频段,低通滤波器转折频率后移,使低通滤波器基本放开。图1为50mm口径管道液体的频率段划分示意图。此四频段信号处理方法构成的“测量通道”是整个涡街信号处理体系的主体通道。
 
2.2监测通道信号处理方法分析
  为监测信号由低频突变为高频时的状况,本文设计了一个由转折频率为fL=fmax/2=70Hz的一阶低通滤波器与转折频率为fH=8*fmin=16Hz的一阶高通滤波器组成的带通滤波器作为“监测通道”。图2为“监测通道”的幅频曲线示意图。
 
3涡街流量计信号处理硬件设计
  硬件系统主要包括前置放大电路、可控增益调整电路、测量通道以及监测通道单元。各部分电路之间相互协调完成整个硬件系统的信号处理。
3.1前置放大电路
  本文采用仪表放大器INA118作为前置放大电路,以此完成压电传感器的输入信号放大转换。如图3,INA118采用单电源供电,Ref为信号地的参考电平,为+V∞/2。
 
3.2可控增益调整电路
  可控增益调整电路由一个阶高通滤波电路和一个可调增益的同相放大器组成。以此来配合测量通道,发挥仪表的宽量程优势,完成回路的闭环自动增益调整。如图4,U5为256抽头100kQ2数字电位器,C43.,C40.,C39电容通过模拟开关选通不同的组合,形成具有隔直和分频段滤波作用的转折频率可控的一阶高通滤波器。同相放大器的放大倍数为1+RP0/R5。
 
3.3测量通道
  测量通道是整个硬件系统的最核心部分,包括数控带通滤波器和硬件脉冲整形电路,以此完成信号的滤波处理和脉冲整形任务。数控带通滤波器由两个具有相同的转折频率的一阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器组成,如图5所示。
 
  硬件脉冲整形电路如图6所示,为一个施密特触发器,对经过滤波的信号进行触发整形,得到包含信号频率信息的方波信号。施密特触发器的高低触发阈值电压由以下二式决定:
 
  式中VH为高触发阈值;VL为低触发阈值;VCH为高电平电压;VCL为低电平电压;VREF为参考电压。在本设计中,电源电压为3.3V,单电源供电,因此VCH=3.3V,VCL=0V;信号参考点为0~3.3V的中心点1.65V,所以VREF=1.65V;施密特触发阈值VH-VL=0.9V.
 
3.4监测通道
  如图7为监测通道的滤波电路。电阻U21-P1和电容C2构成一阶低通滤波,电阻U21-P0和电容C44构成一阶高通滤波。若介质为液体,则模拟开关U25关断;若介质为气体,则选通模拟开关。此处施密特触发阈值VH-VL=0.78V。
 
4实验结果与分析
  本设计在50mm口径涡街流量计实验装置上进行试验。图8所示为信号流各测试点波形图。图8a上方的波形为前置放大后.输出的波形(TPO),压电传感器输出的差分信号经前置仪表放大器输出转换后,得到的正弦信号,但信号信噪比相对较差;下方的波形为经过测量通道滤波输出之后的波形(TP1),经过滤波去噪放大处理,得到的高信噪比信号。图8b下方波形即是经过测量通道滤波输出之后的波形(TP1);上方波形为经过软件脉冲整形之后输出的方波信号(TP4),对于峰峰值大于设定阈值的模拟信号,软件脉冲整形都能正确输出方波。图8c.上方波形即为经过软件脉冲整形之后输出的方波信号(TP4),因为有存在小于脉冲整形阈值的信号,致使输出方波存在缺波现象;下方波形为经过功率最大频率点周期估计之后输出的波形(TP5),通过软件滤波最大程度的复原了真实的信号波形,保证了测量精度。
 
  在开发过程中,涡街流量计的校准检定是必不可少的。通过校准可以确定涡街流量计的性能指标,寻找影响仪表特性的各种因素,为提高仪表性能提供依据。本文对50mm口径液体涡街流量计采用静态容积法进行校准检定,其流量检定范围为1~50m³/h,流量检定点分别为2%、10%、20%、40%.91%五点。具体检定数据如表1所示:
 
  由计算得:仪表系数:9.4179(次/L)线性度:±2.56%
  重复性:0.142%基本误差:2.564%
  国内涡街流量计在50mm口径时,对液体的测量范围一般为3~50m³/h,本文所设计的涡街流量计信号处理方法的测量下限达到了1.2m³/h左右,拓展了2.5倍左右的测量下限,使量程范围扩大了2.5倍。
  由表1的液体检定数据可见,在对中高流速的测量下,即10~50m³/h范围内,检定的仪表系数稳定在9.2左右,但在1.2m³/h低流速的情况下达到了9.6594,因此产生了较大的线性度和基本误差。在1.2m³/h流速点时仪表系数.上升明显,但是1.2m³/h流速下的3个测试点重复性较好(0.142%),而且通过示波器监视频率输出波形,看到脉冲输出均匀,没有看到误捕捉脉冲的情况,因此考虑主要是由于小口径低流速下仪表系数本身的非线性造成的。通过,上位机后期的软件非线性修正,完全可以得到线性度理想的仪表系数。

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