E+H渦街流量傳感器信號(hào)處理方法研究

e+h渦街流量計(jì)是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的基于卡門渦街效應(yīng)原理的流量測(cè)量儀表。傳感器內(nèi)部無活動(dòng)部件，使用壽命長，標(biāo)定精度較高，量程比寬，壓力損失小，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。近30多年的工業(yè)應(yīng)用也證明渦街流量計(jì)在穩(wěn)定流體計(jì)量中的可靠性和性。

    卡門渦街效應(yīng)即在流體中放置一個(gè)外形為外流線型對(duì)稱的阻流體，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，阻流體的下游側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩列不對(duì)稱的且有規(guī)律的漩渦，如圖1所示[1-3]。

    實(shí)驗(yàn)表明，渦流漩渦的頻率fi與流體的平均流速Q(mào)成線性關(guān)系

       （1）

    式（1）中，K為儀表系數(shù)，表示為

圖1　卡門漩渦示意圖

  （2）

    式（2）中，St為斯特羅哈爾數(shù)，d為阻流體特征尺寸，D為管道內(nèi)徑。

    當(dāng)雷諾數(shù)在3×10⁴～3×10⁶范圍時(shí)，儀表系數(shù)K可近似為常數(shù)，因此，僅需檢測(cè)fi即可得到流體的流量。

    目前渦E+H街流量計(jì)傳感器中一般采用壓電敏感元件將流體的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并利用比較器、數(shù)字信號(hào)處理方法等手段實(shí)現(xiàn)渦街頻率信號(hào)的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算。目前的信號(hào)處理方法，在應(yīng)用中存在如下不足[4-7]：

    ①易受測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各種干擾的影響，實(shí)際測(cè)量精度低于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定精度。干擾主要為流場(chǎng)不穩(wěn)定，管道振動(dòng)和電磁噪聲。

    ②量程比受限。理論上渦街流量計(jì)的量程比可以達(dá)到100：1，而目前實(shí)際上一般只達(dá)到10：1。因?yàn)樾×髁繒r(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，易被噪聲淹沒。

 

    ③不同口徑的傳感器需要人工調(diào)整二次儀表的濾波和放大參數(shù)進(jìn)行匹配，不能動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)。針對(duì)渦街流量計(jì)應(yīng)用中存在的實(shí)際問題和需求，設(shè)計(jì)了一種增益和濾波參數(shù)均由程序自動(dòng)控制的新型渦街流量計(jì)信號(hào)處理電路，提高信噪比和測(cè)量精度與穩(wěn)定性。

    1　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    1.1　信號(hào)特性分析

    圖2、圖3為Φ50mm口徑渦街流量計(jì)在0.1L/s流量時(shí)的原始信號(hào)和功率譜波形，圖4、圖5為該渦街流量計(jì)在3L/s流量時(shí)的原始信號(hào)和功率譜波形?？梢钥闯?，在小流量和大流量時(shí)，原始信號(hào)的幅度變化范圍較大，zui小量程和zui大量程信號(hào)幅度比約為1/100；小流量時(shí)信號(hào)中含有較多干擾，其幅值與信號(hào)幅值相近[8]。

圖2　流量為0.1L/s時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)波形

 

圖3　流量為0.1L/s時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)功率譜

圖4　流量為3L/s時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)波形

    因此，e+h渦街流量計(jì)信號(hào)處理電路必須具備幅度增益調(diào)節(jié)和濾波能力，將小流量時(shí)的微弱信號(hào)放大并進(jìn)行濾波處理，以滿足測(cè)量精度。

圖5　流量為3L/s時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)功率譜

    1.2　硬件設(shè)計(jì)

    常用的信號(hào)處理電路依靠編碼開關(guān)人為調(diào)節(jié)信號(hào)放大倍數(shù)，一旦調(diào)節(jié)完畢，實(shí)際的測(cè)量中，信號(hào)幅度不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。濾波電路同樣依靠編碼開關(guān)調(diào)節(jié)濾波電容參數(shù)，不能動(dòng)態(tài)跟蹤信號(hào)的中心頻率。為此，設(shè)計(jì)了以DSP為運(yùn)算核心，輔助變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器的新型渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　硬件結(jié)構(gòu)示意圖

 

    圖6中，壓電傳感器采用常規(guī)的壓電敏感元件，電荷放大器由高輸入阻抗運(yùn)放LF411和電阻電容構(gòu)成，均屬常規(guī)電路，原理在文中不進(jìn)行詳細(xì)說明。下面著重介紹變?cè)鲆娣糯笃骱烷_關(guān)電容濾波器電路。

    變?cè)鲆娣糯箅娐芬跃€性增益控制芯片AD603為核心，在控制電平的作用下，增益調(diào)整范圍為-11dB～+31dB。圖7為典型的AD603增益曲線。

圖7　AD603的增益曲線示意圖

    由前面分析知，原始信號(hào)zui小幅值與zui大幅值比約為1/100，相差-40dB。AD603的線性增益控制zui大為40dB，*設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)以DSP（TMS320F2812）為運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)模擬信號(hào)采集、FIR數(shù)字濾波、信號(hào)幅度檢測(cè)、變?cè)鲆娣糯箅娐房刂?、LCD液晶顯示、鍵盤控制以及RS485通訊。

    1.3　軟件設(shè)計(jì)

    DSP處理軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)信號(hào)頻率的計(jì)算、流量的解算和溫度補(bǔ)償、測(cè)量結(jié)果顯示、鍵盤處理以及RS485通訊；中斷服務(wù)程序完成信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換、信號(hào)FIR濾波處理、信號(hào)幅度檢測(cè)以及根據(jù)幅度結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變?cè)鲆娣糯笃鞯恼{(diào)節(jié)電壓和溫度測(cè)量。其中，F(xiàn)IR濾波程序主要是針對(duì)原始信號(hào)中幅度較強(qiáng)的噪聲進(jìn)行初步抑制，實(shí)現(xiàn)渦街流量計(jì)在復(fù)雜工況情況下，也能解算流體流量。程序流程見圖8[9-12]。

圖8　軟件流程圖

    2　實(shí)驗(yàn)研究

    2.1　模擬實(shí)驗(yàn)

    ①針對(duì)信號(hào)特性，利用Matlab設(shè)計(jì)仿真波形；

    ②采用NI2DAQ6110E數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將Mat-lab仿真波形輸出至硬件系統(tǒng)；

    ③利用DSP采集數(shù)據(jù)并分析，將原始AD采集數(shù)據(jù)和FIR濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

    ④利用Matlab分析采集結(jié)果；

    ⑤利用DSP計(jì)算信號(hào)頻率得到相對(duì)誤差。

    2.2　模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖9所示為Matlab仿真0.1L/s時(shí)原始信號(hào)波形及功率譜圖（輸出信號(hào)頻率為1Hz，幅度為30mV），圖10為對(duì)應(yīng)的經(jīng)變?cè)鲆娣糯笃骱烷_關(guān)電容濾波器以及抗混疊濾波器的輸出波形和功率譜圖。圖11所示為Matlab仿真3L/s時(shí)原始信號(hào)波形及功率譜圖（輸出信號(hào)頻率為35Hz，幅度為3V），圖12為對(duì)應(yīng)的經(jīng)變?cè)鲆娣糯笃骱烷_關(guān)電容濾波器以及抗混疊濾波器的輸出波形和功率譜圖。

 

圖9　仿真輸出0.1L/s時(shí)原始信號(hào)波形及功率譜圖

圖10　系統(tǒng)采集0.1L/s處理后的信號(hào)波形及功率譜圖

圖11　仿真輸出3L/s時(shí)原始信號(hào)波形及功率譜圖

圖12　系統(tǒng)采集3L/s處理后的信號(hào)波形及功率譜圖

    由圖10和圖12可以看出，利用變?cè)鲆娣糯笃骱虳SP軟件處理后的信號(hào)幅度基本穩(wěn)定，各種干擾信息也得到了較好的抑制。

    表1為DSP計(jì)算頻率的結(jié)果，測(cè)量相對(duì)誤差均在±0.2%以內(nèi)。

    2.3　流量實(shí)驗(yàn)

    圖13為利用實(shí)驗(yàn)室鼓風(fēng)機(jī)提供氣體流量，Φ50mm渦街流量傳感器輸出的原始信號(hào)波形圖。圖14為圖13的原始信號(hào)經(jīng)DSP濾波處理后的時(shí)域波形圖。圖15為圖13的原始信號(hào)由DSP進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換的頻譜圖。圖16為圖13的原始信號(hào)經(jīng)DSP濾波處理后的頻域波形圖。圖13～圖16均為DSP調(diào)試軟件繪制。

    由圖13～圖16可以對(duì)比看出，針對(duì)實(shí)際流量信號(hào)，該系統(tǒng)仍可以有效抑制噪聲干擾。

圖13　系統(tǒng)采集原始信號(hào)波形

圖14　系統(tǒng)采集的原始信號(hào)經(jīng)FIR濾波后的波形

圖15　系統(tǒng)采集原始信號(hào)的頻譜圖

圖16　系統(tǒng)采集原始信號(hào)FIR濾波后的頻譜圖

        基于實(shí)際渦街流量計(jì)信號(hào)特征，設(shè)計(jì)了變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器和DSP信號(hào)處理電路的新型渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：傳感器經(jīng)放大濾波后的信號(hào)幅度基本穩(wěn)定，DSP濾波效果較好，頻率計(jì)算精度較高，達(dá)到了±0.2%。目前系統(tǒng)只針對(duì)模擬信號(hào)和實(shí)際流量信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，未在部門進(jìn)行流量精度標(biāo)定，在下一階段工作中將進(jìn)行流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及測(cè)量精度。