摘要:比(bi)較了渦(wo)街流量(liang)計 的測(ce)量方法(fa),選用了(le)具有靈(ling)敏度高(gao)、耐熱性(xing)強抗震(zhen)性✉️強等(deng)優點的(de)電容式(shi)渦街流(liu)量計,介(jie)紹了其(qi)測量原(yuan)理🙇🏻與系(xi)♋統組成(cheng).通過科(ke)學的理(li)論推導(dao),獲得渦(wo)街力、偏(pian)轉🌂角與(yu)電容的(de)關系,并(bing)将電容(rong)式渦街(jie)流量測(ce)量信号(hao)處理方(fang)法進💃行(hang)分析和(he)比較.最(zui)後闡述(shu)了電✍️容(rong)式渦街(jie)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量計(ji)研制的(de)技術關(guan)鍵.
　　渦街(jie)流量計(ji)具有精(jing)度高、量(liang)程比較(jiao)寬、線性(xing)度較好(hao)且🧑🏽‍🤝‍🧑🏻适用(yong)各種介(jie)質等一(yi)系列的(de)優點,在(zai)計量檢(jian)測中發(fa)揮越來(lai)越大的(de)作用,有(you)🐪着廣泛(fan)的應用(yong)前景,因(yin)此對渦(wo)街流量(liang)計的研(yan)究具有(you)重要的(de)意義.
　　渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)按檢測(ce)方式主(zhu)要有熱(re)敏式、應(ying)力式、電(dian)容式等(deng).熱敏式(shi)渦街傳(chuan)感器靈(ling)敏度高(gao),适宜低(di)溫、低密(mi)度的氣(qi)🔱體測量(liang),但🔞易受(shou)流體中(zhong)污物的(de)影響🏃‍♀️或(huo)損壞.應(ying)力式渦(wo)街傳感(gan)器具✔️有(you)響應🌈快(kuai)、信号強(qiang)、工藝性(xing)好、制造(zao)成本低(di)🌐等優點(dian),但抗震(zhen)性相對(dui)較差,信(xin)噪比較(jiao)低,，在低(di)密度、低(di)流速環(huan)境振動(dong)大的場(chang)合不宜(yi)使用電(dian)容💔式渦(wo)街流量(liang)計與其(qi)他渦街(jie)流量計(ji)相㊙️比,具(ju)有靈敏(min)度高、耐(nai)熱性強(qiang)、抗震性(xing)強等優(you)點,因而(er)在工業(ye)企業中(zhong)得到了(le)廣泛的(de)應用.
1電(dian)容式渦(wo)街流量(liang)測量原(yuan)理與系(xi)統組成(cheng)
　　渦街流(liu)量計是(shi)利用流(liu)體振蕩(dang)原理來(lai)測量流(liu)量或流(liu)速.在流(liu)體中放(fang)置一個(ge)具有均(jun)勻斷面(mian)形狀的(de)擋體，在(zai)擋體的(de)兩側會(hui)👨‍❤️‍👨交替産(chan)生一種(zhong)有規律(lü)的漩渦(wo),并向下(xia)遊流去(qu),非對稱(cheng)地形成(cheng)二列漩(xuan)渦列,即(ji)卡門渦(wo)街.利用(yong)這種漩(xuan)渦🥰産生(sheng)的規❌律(lü),根據漩(xuan)渦産生(sheng)的頻率(lü)ƒ,通過
 
　　其(qi)中,ʋ表示(shi)流體流(liu)速;d表示(shi)漩渦發(fa)生體特(te)征寬度(du);m表🌂示漩(xuan)渦🎯發生(sheng)體兩側(ce)弓形面(mian)積與管(guan)道橫截(jie)面面積(ji)之比;Q表(biao)示體積(ji)流量;D表(biao)示🥰管道(dao)内徑;k表(biao)示流量(liang)計儀表(biao)系數.斯(si)特哈爾(er)數爲⭐無(wu)量綱㊙️參(can)數,它與(yu)旋渦發(fa)生📱體形(xing)狀及雷(lei)諾數有(you)關，在雷(lei)諾✌️數的(de)範圍爲(wei)2x104~7X106時,s;可視(shi)✉️爲常數(shu),即儀表(biao)正常工(gong)作範圍(wei).
　　電容式(shi)渦街傳(chuan)感器的(de)檢測元(yuan)件是一(yi)-根剛性(xing)空心圓(yuan)杆,當渦(wo)♻️街✂️作用(yong)在圓杆(gan)底部時(shi),剛性圓(yuan)杆會繞(rao)着固定(ding)點偏轉(zhuan).圓杆.上(shang)部作爲(wei)電容的(de)-一個極(ji)闆,，與另(ling)外兩個(ge)❄️電極組(zu)🌈成差動(dong)電容,差(cha)動電容(rong)值會随(sui)圓杆擺(bai)動而改(gai)變,其規(gui)律爲與(yu)渦街🌏發(fa)生同頻(pin)率的周(zhou)期性變(bian)化.轉換(huan)器檢測(ce)電容的(de)變化,并(bing)轉換爲(wei)脈沖信(xin)📐号,該脈(mo)沖頻率(lü)就是渦(wo)街的發(fa)生頻率(lü),與流量(liang)✉️大小✍️成(cheng)正比.轉(zhuan)換器最(zui)終輸出(chu)流量大(da)小爲4~20mA模(mo)拟信号(hao)或😘通🧡過(guo)HART現場總(zong)線輸出(chu)🔞數字信(xin)号.電容(rong)傳感器(qi)如圖1所(suo)示，.
 
　　渦街(jie)力與偏(pian)轉角的(de)關系是(shi)根據轉(zhuan)動的物(wu)體遵循(xun)牛頓轉(zhuan)動定律(lü)得出,通(tong)過必要(yao)的理論(lun)推導,獲(huo)得渦街(jie)力、偏轉(zhuan)角與電(dian)容的關(guan)🏃‍♀️系爲
 
　　其(qi)中，T表示(shi)物體所(suo)受到的(de)力矩;J表(biao)示物體(ti)轉動慣(guan)量🆚;θ表示(shi)角位移(yi);C表示粘(zhan)性摩擦(ca)系數.
渦(wo)街力與(yu)流速之(zhi)間的關(guan)系爲
 
　　其(qi)中，F表示(shi)渦街産(chan)生的交(jiao)替推力(li)，T=F*R;CL表示無(wu)量綱系(xi)數;ʋ表示(shi)流體的(de)流速;Q表(biao)示流體(ti)的密度(du);D表示管(guan)道内徑(jing);d表示漩(xuan)渦發生(sheng)體迎流(liu)面♊寬度(du).
最後偏(pian)轉角與(yu)電容的(de)關系爲(wei)
 
　　其中,△C表(biao)示差動(dong)電容;Ɛ表(biao)示電容(rong)介質系(xi)數;b表示(shi)極闆♉寬(kuan)🏃‍♂️度;δ表示(shi)兩極闆(pan)的間距(ju).
　　電容式(shi)渦街流(liu)量計由(you)傳感器(qi)和轉換(huan)器兩部(bu)分組🔴成(cheng).傳✌️感器(qi)包括漩(xuan)渦發生(sheng)體(阻流(liu)體)檢測(ce)元件、儀(yi)表📞表體(ti)等;轉換(huan)器包括(kuo)電荷👈檢(jian)測電路(lu)、濾波整(zheng)形電路(lu)♈、微處理(li)器、D/A轉換(huan)電路、輸(shu)出接口(kou)電路、顯(xian)示通信(xin)電路、端(duan)子、支架(jia)和防護(hu)罩等.
2電(dian)容式渦(wo)街流量(liang)測量計(ji)信号處(chu)理方法(fa)比較
　　渦(wo)街流量(liang)信号由(you)兩部分(fen)組成:--是(shi)由流速(su)産生的(de)正弦渦(wo)街信号(hao)🈲,1二是幹(gan)擾引起(qi)的噪聲(sheng)信号,因(yin)此渦街(jie)🈚信号遠(yuan)非理想(xiang)的正弦(xian)波🔴信号(hao),而是一(yi)個混有(you)強噪🛀🏻聲(sheng)的混🈲合(he)信号.現(xian)在，已經(jing)提出㊙️了(le)很多種(zhong)處理渦(wo)街🐕信号(hao)的方‼️法(fa),用來提(ti)✨取流量(liang)信号的(de)頻率.
2.1譜(pu)分析信(xin)号處理(li)方法
　　建(jian)立噪聲(sheng)模闆和(he)信号模(mo)闆的基(ji)礎上,用(yong)譜分析(xi)方🔞法消(xiao)除渦街(jie)流量計(ji)中的強(qiang)噪聲是(shi)近年來(lai)研究熱(re)點之一(yi),利用該(gai)方法解(jie)決💜強幹(gan)擾條件(jian)下渦街(jie)流量計(ji)測量🆚問(wen)題.首🈲先(xian)将頻率(lü)測量範(fan)圍分段(duan),在不同(tong)頻段建(jian)立噪聲(sheng)模闆,然(ran)後用混(hun)合信号(hao)的功率(lü)譜與噪(zao)聲模闆(pan),提取噪(zao)聲,再利(li)用💞插值(zhi)法消除(chu)噪聲,最(zui)後對消(xiao)除噪聲(sheng)的㊙️信号(hao)進行頻(pin)譜分析(xi),計算出(chu)頻率，利(li)用頻譜(pu)校正☔法(fa)提高計(ji)算精♊度(du)[31.但是,噪(zao)👈聲情況(kuang)各種各(ge)樣🏃‍♂️.不易(yi)獲得噪(zao)聲的🐪所(suo)有模闆(pan).經典譜(pu)分析算(suan)法對正(zheng)态分布(bu)🏃🏻的白噪(zao)聲有很(hen)好的抑(yi)制作用(yong)，方法直(zhi)觀,容易(yi)編程實(shi)現.但在(zai)非整周(zhou)期采樣(yang)時誤差(cha)較大,需(xu)要進行(hang)頻譜校(xiao)正.而現(xian)代譜分(fen)析方法(fa)更适合(he)短序🔅列(lie)的🔴譜分(fen)析,對噪(zao)聲抑制(zhi)能力強(qiang),精度高(gao),但建模(mo)階數對(dui)功率譜(pu)計算的(de)結果有(you)影響,有(you)時還存(cun)在譜線(xian)分裂現(xian)象.
2.2自适(shi)應濾波(bo)信号處(chu)理方法(fa)
　　采用基(ji)于最小(xiao)均方自(zi)适應算(suan)法的現(xian)代譜分(fen)析處理(li)💃流量信(xin)号🔴.自适(shi)應濾波(bo)方法采(cai)用十抽(chou)一濾波(bo)器和高(gao)低通濾(lü)波器.自(zi)适應陷(xian)波針對(dui)不同頻(pin)率的信(xin)号建立(li)♈不同參(can)數的模(mo)型,在非(fei)整周期(qi)🍓采樣、諧(xie)波和🔱噪(zao)聲千擾(rao)情況下(xia)頻率測(ce)量都能(neng)達到較(jiao)好的精(jing)度,其不(bu)足之處(chu)是采樣(yang)點數👌多(duo),計算時(shi)間長,實(shi)時性差(cha)✏️.如果流(liu)量信❗号(hao)發生突(tu)變,而采(cai)樣頻率(lü)沒有及(ji)♉時跟蹤(zong),會造成(cheng)較大的(de)測量誤(wu)差.由漩(xuan)渦發生(sheng)體、熱線(xian)探針🏃🏻、前(qian)置處理(li)電路和(he)APPLE微機構(gou)成測量(liang)系統🔴,驗(yan)證了譜(pu)分析方(fang)法用于(yu)渦街流(liu)🚶‍♀️量計信(xin)号處理(li)的可行(hang)🐆性,但👌是(shi),這種方(fang)法對諧(xie)波幹擾(rao)的抑制(zhi)能力較(jiao)差.
2.3熵譜(pu)法信号(hao)處理方(fang)法
　　對周(zhou)期圖譜(pu)分析和(he)基于Burg的(de)現代譜(pu)分析方(fang)法一最(zui)大熵譜(pu)法,用于(yu)渦街流(liu)量計的(de)信号處(chu)理進行(hang)了研究(jiu),發現周(zhou)期圖譜(pu)分析方(fang)法對長(zhang)序列的(de)計算精(jing)度高,對(dui)諧🔴波的(de)抑制能(neng)力強,處(chu)理📐非過(guo)零采樣(yang)的數據(ju)時,計算(suan)精度不(bu)受影響(xiang),基于Burg算(suan)法的譜(pu)分析方(fang)法,先建(jian)立自回(hui)歸模型(xing),再計算(suan)功率譜(pu)'51.采用Burg算(suan)法,以正(zheng)反向線(xian)性預測(ce)🥰誤❗差能(neng)量的平(ping)方❗和最(zui)小爲準(zhun)則,來估(gu)計自回(hui)歸模型(xing)的🈚系數(shu),特别易(yi)于短🈲序(xu)列的譜(pu)分析,分(fen)辨率較(jiao)高.進行(hang)仿真後(hou),發現Burg算(suan)法抑制(zhi)随機噪(zao)聲能力(li)強,但抑(yi)制确定(ding)性噪聲(sheng),如🔱渦街(jie)産生的(de)低頻擺(bai)‼️動噪聲(sheng)的能力(li)比周期(qi)圖法差(cha).
2.4DSP軟硬件(jian)結合信(xin)号處理(li)方法
　　采(cai)用DSP芯片(pian)将周期(qi)圖譜分(fen)析法和(he)數字信(xin)号處理(li)器應用(yong)于⛹🏻‍♀️渦街(jie)🌈流量計(ji)的信号(hao)處理,研(yan)制了硬(ying)、軟件系(xi)統計算(suan)流量信(xin)号的🤩頻(pin)率🈲,取得(de)了不錯(cuo)的效果(guo).但是♉,采(cai)用DSP芯片(pian),首先💛是(shi)價格較(jiao)高,其次(ci)在市電(dian)供給困(kun)難的場(chang)合,如野(ye)外、井下(xia)、長期無(wu)人值守(shou)的環境(jing)下,就不(bu)能采用(yong)DSP芯片作(zuo)爲處理(li)器了,因(yin)爲現有(you)的DSP芯片(pian)功耗至(zhi)少有幾(ji)十毫安(an).基于FFT的(de)經典📱譜(pu)分析方(fang)法,直接(jie)用傅立(li)葉變換(huan)對有限(xian)時間序(xu)列計算(suan)功率譜(pu)，求取信(xin)号頻率(lü).該方法(fa)能有🈲效(xiao)抑制諧(xie)波幹擾(rao),但在非(fei)整周期(qi)采樣時(shi)🐆,有較大(da)的洩漏(lou)誤差🍓,必(bi)須利用(yong)頻譜📞校(xiao)正方法(fa)來提高(gao)測量精(jing)度.
2.5小波(bo)變換信(xin)号處理(li)方法
　　小(xiao)波變換(huan)可以作(zuo)爲--組帶(dai)通濾波(bo)器,用來(lai)對渦街(jie)傳感器(qi)信号進(jin)行濾波(bo),去除噪(zao)聲,以便(bian)正确提(ti)取頻率(lü)信息.利(li)用☔小波(bo)變換的(de)低通和(he)帶通濾(lü)波特性(xing),可以把(ba)原始信(xin)号中的(de)不同頻(pin)率的信(xin)号成分(fen)分離出(chu)來16].小波(bo)變換☀️可(ke)看成是(shi)--組帶通(tong)濾波器(qi),具有🏃🏻低(di)頻處分(fen)🚶辨率高(gao)、高頻處(chu)分辨率(lü)低的特(te)點,但功(gong)耗和實(shi)時性需(xu)要進一(yi)步探讨(tao).
2.6數字濾(lü)波器信(xin)号處理(li)方法
　　數(shu)字濾波(bo)器的設(she)計方法(fa)很多,最(zui)通用的(de)方法是(shi)利用已(yi)經🏃🏻‍♂️很成(cheng)熟的模(mo)拟濾波(bo)器的設(she)計方法(fa),如Butteworh濾波(bo)器、Chebyshev濾波(bo)器、橢圓(yuan)濾波器(qi)等.采用(yong)Buttenworth濾波、低(di)通濾波(bo)、中位數(shu)濾波✍️相(xiang)結合的(de)濾波方(fang)法對原(yuan)始的渦(wo)街信号(hao)進行處(chu)理,該方(fang)法能滿(man)足低通(tong)濾波要(yao)求,通過(guo)合理選(xuan)🎯擇窗口(kou)長度可(ke)以有效(xiao)濾除脈(mo)沖噪聲(sheng)(".但是在(zai)實際應(ying)用時,信(xin)号需要(yao)經過三(san)級濾波(bo),存在計(ji)算量大(da)、實時性(xing)較差的(de)問題.
3電(dian)容式渦(wo)街流量(liang)計研制(zhi)的關鍵(jian)技術
　　綜(zong)合國内(nei)外研究(jiu)狀況,渦(wo)街流量(liang)計研究(jiu)的發展(zhan)的關鍵(jian)技術主(zhu)要集中(zhong)在以下(xia)方面..
3.1傳(chuan)感器設(she)計
　　設計(ji)更加傳(chuan)感器.探(tan)頭電容(rong)極闆的(de)基體在(zai)高溫下(xia)✉️成🌏型㊙️.增(zeng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻強抗高(gao)溫特性(xing),使核心(xin)部件的(de)内部結(jie)構可靠(kao)性更高(gao)⭕.采用🔆現(xian)代流場(chang)分析技(ji)術.對傳(chuan)感器的(de)具體結(jie)構以及(ji)安❓裝位(wei)置進一(yi)步改進(jin),增強抗(kang)振性能(neng),可以消(xiao)除各個(ge)方向的(de)振動幹(gan)擾,穩定(ding)漩渦,使(shi)渦街流(liu)量計在(zai)小流量(liang)情況下(xia)的抗幹(gan)擾能⛹🏻‍♀️力(li)更強,時(shi)域波形(xing)毛刺更(geng)少,頻城(cheng)波形更(geng)加穩定(ding).通頻帶(dai)能❓自動(dong)跟蹤,無(wu)須電位(wei)器或撥(bo)動開關(guan)調整⭐頻(pin)帶和靈(ling)敏度,無(wu)零漂移(yi),量程自(zi)由✌️設定(ding)，真正實(shi)現現場(chang)⭕免調試(shi).
3.2現場總(zong)線設計(ji)
　　采用全(quan)數字化(hua)現場總(zong)線的智(zhi)能渦街(jie)流量計(ji).目前,現(xian)場總線(xian)♍技術是(shi)智能儀(yi)表的研(yan)究熱點(dian).可以考(kao)慮實際(ji)需求,增(zeng)加HART總線(xian)硬件接(jie)口,該模(mo)塊采用(yong)抗幹擾(rao)能力強(qiang),通信速(su)率高,傳(chuan)送數據(ju)精度高(gao)🌐的電路(lu)來完成(cheng)數據傳(chuan)送,它既(ji)有RS.485總線(xian)通信的(de)抗幹擾(rao)能力強(qiang)的🔱特點(dian),又具有(you)輸出信(xin)号爲二(er)線制4~20mA的(de)工業标(biao)準,依照(zhao)相應的(de)通訊協(xie)議,完成(cheng)HART協議數(shu)據鏈路(lu)層和應(ying)用層的(de)軟件設(she)計,實現(xian)HART總線通(tong)信功能(neng).
3.3數字信(xin)号處理(li)方法的(de)設計
　　應(ying)用更加(jia)數字信(xin)号處理(li)方法,能(neng)更好地(di)解決幹(gan)擾🏃問⚽題(ti),提高流(liu)量測量(liang)精度,進(jin)一-步提(ti)高分辨(bian)率.幹擾(rao)信号與(yu)渦街信(xin)号在同(tong)一頻段(duan)的情況(kuang)已有研(yan)究,當🔴兩(liang)種信🚶号(hao)的頻率(lü)在同🔴一(yi)頻段📞且(qie)頻率非(fei)常靠近(jin)時,研究(jiu)如何⭐分(fen)辨這兩(liang)種信号(hao),及如何(he)消除噪(zao)聲信号(hao)的頻譜(pu)對渦街(jie)信号頻(pin)譜的幹(gan)涉等.研(yan)究信号(hao)的分👣析(xi)方法時(shi),若所選(xuan)用幅頻(pin)特性的(de)過渡帶(dai)不夠💰陡(dou),則使得(de)它分頻(pin)特性🙇🏻不(bu)好,會造(zao)成頻率(lü)💜分辨率(lü)不夠高(gao).同時，靠(kao)近渦街(jie)頻率🔞的(de)諧波不(bu)易濾幹(gan)淨💃,将會(hui)影響測(ce)量精度(du),因此還(hai)需要研(yan)究函數(shu)的選取(qu)、分級💜,濾(lü)波器的(de)幅頻特(te)性和中(zhong)心頻率(lü)的調整(zheng)采樣頻(pin)率和采(cai)樣點數(shu)如何确(que)定,以及(ji)在軟件(jian)編程中(zhong)如何優(you)化算法(fa),使計算(suan)量少、内(nei)存占用(yong)量少和(he)運算誤(wu)差小,以(yi)保⭐證體(ti)積小♉.實(shi)時性好(hao)和計算(suan)精度高(gao)等問題(ti).研究強(qiang)幹擾噪(zao)聲是以(yi)建立某(mou)種噪聲(sheng)的模闆(pan)爲基礎(chu),考慮建(jian)立--種通(tong)用的模(mo)闆,真正(zheng)解決強(qiang)幹擾下(xia)渦街信(xin)号和噪(zao)聲的判(pan)别、分離(li)及提取(qu)問題,在(zai)傳感器(qi)條件一(yi)定的情(qing)況下🛀🏻,考(kao)慮利用(yong)信号處(chu)理技術(shu)擴大量(liang)程比,提(ti)高小流(liu)量測量(liang)精度,全(quan)面.深入(ru)地研究(jiu)流場噪(zao)聲以及(ji)它們對(dui)渦街信(xin)号影響(xiang)等.
4結語(yu)
　　渦街流(liu)量計在(zai)流量測(ce)量中應(ying)用非常(chang)廣泛,電(dian)容式渦(wo)❓街流👄量(liang)計具有(you)抗振性(xing)好、溫度(du)适應能(neng)力強.通(tong)用性好(hao)等特點(dian).通過對(dui)電容💰式(shi)渦街流(liu)量計測(ce)量原理(li)🤟和系統(tong)組成的(de)理解.信(xin)号處理(li)♻️方法的(de)比較及(ji)對該♌流(liu)量計研(yan)制的關(guan)鍵技術(shu)問題的(de)分析,可(ke)以對電(dian)容式渦(wo)街流量(liang)計有很(hen)清楚的(de)認識,有(you)助🚩于對(dui)渦街流(liu)💛量計的(de)設計與(yu)研究.

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