渦(wo)街流量(liang)計 是上(shang)世紀60年(nian)代末期(qi)發展起(qi)來的一(yi)種振動(dong)頻率與(yu)👌流速成(cheng)正比的(de)流量計(ji)。針對渦(wo)街流量(liang)計在低(di)流速時(shi)幅值小(xiao)而高流(liu)速幅值(zhi)🌈大,且低(di)流速信(xin)噪比低(di)而高流(liu)速信噪(zao)比高的(de)特點，設(she)計🚶了一(yi)套雙通(tong)道渦街(jie)流量計(ji)信🐅号處(chu)理方法(fa)，通過測(ce)量通道(dao)與監測(ce)通道的(de)配合工(gong)作,提升(sheng)了低流(liu)速的測(ce)量性能(neng),擴大了(le)渦街流(liu)量計測(ce)量量程(cheng)。
　　理論上(shang),渦街流(liu)量計的(de)測量量(liang)程比可(ke)達幾百(bai)比一-1,但(dan)由✍️于渦(wo)街流量(liang)計在測(ce)量低流(liu)速時産(chan)生的旋(xuan)渦♌壓力(li)小，初始(shi)信号較(jiao)微弱,同(tong)時受現(xian)場複雜(za)工況的(de)影響,在(zai)進行低(di)流速測(ce)🐅量時不(bu)能有效(xiao)🌏進行濾(lü)波,容易(yi)被噪聲(sheng)🚶淹沒。目(mu)前國内(nei)的渦💚街(jie)流量計(ji)🤞産品量(liang)程比多(duo)爲10:1到15:1。
　　本(ben)文以壓(ya)電式渦(wo)街流量(liang)計爲基(ji)礎，根據(ju)渦街流(liu)量計信(xin)号與噪(zao)聲的特(te)點,通過(guo)改進前(qian)置放大(da)電路和(he)濾波處(chu)理👈電路(lu)，設計了(le)雙通道(dao)渦街流(liu)量計信(xin)号處理(li)系統，從(cong)而實現(xian)整個👄工(gong)作頻☔段(duan)的流量(liang)測量,達(da)到提高(gao)測量量(liang)程比的(de)目的。
1渦(wo)街流量(liang)計的信(xin)号特點(dian)
　　渦街流(liu)量計的(de)振動頻(pin)率與流(liu)速(流量(liang))之間的(de)關系🌏(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲斯(si)特勞哈(ha)爾數;f爲(wei)輸出頻(pin)率;V爲流(liu)體流速(su);d爲旋渦(wo)發生體(ti)寬度。
　　工(gong)程中常(chang)用下式(shi)進行流(liu)體流量(liang)測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式(shi)中:qv爲體(ti)積流量(liang);K爲儀表(biao)系數。
2雙(shuang)通道渦(wo)街流量(liang)計信号(hao)處理方(fang)法分析(xi)
2.1測量通(tong)道信号(hao)處理方(fang)法分析(xi)
　　本設計(ji)采用由(you)具有1/f²衰(shuai)減(-40dB/dec)特性(xing)的低頻(pin)濾波器(qi)和二👈階(jie)高通濾(lü)波器(40dB/dec)組(zu)成的帶(dai)通濾波(bo)器來對(dui)原始信(xin)号的幅(fu)頻特性(xing)進行處(chu)理。該濾(lü)波器的(de)幅頻特(te)性爲:
 
　　在(zai)低頻段(duan)，渦街信(xin)号經過(guo)相同轉(zhuan)折頻率(lü)的低通(tong)濾波器(qi)，輸出幅(fu)值爲常(chang)數;在高(gao)頻段,低(di)通濾波(bo)器轉折(she)頻率後(hou)移，使低(di)通濾波(bo)器基本(ben)放開。圖(tu)1爲50mm口徑(jing)管道♉液(ye)體的頻(pin)率段㊙️劃(hua)分示意(yi)圖。此⛷️四(si)頻段信(xin)号處理(li)方法構(gou)成的“測(ce)量通道(dao)”是整個(ge)渦街信(xin)号處🏃🏻‍♂️理(li)體系的(de)主體通(tong)道。
 
2.2監測(ce)通道信(xin)号處理(li)方法分(fen)析
　　爲監(jian)測信号(hao)由低頻(pin)突變爲(wei)高頻時(shi)的狀況(kuang)，本文設(she)計了一(yi)個由轉(zhuan)折頻率(lü)爲fL=fmax/2=70Hz的一(yi)階低通(tong)濾波器(qi)與轉折(she)頻率爲(wei)fH=8*fmin=16Hz的一階(jie)高通濾(lü)波器組(zu)成的帶(dai)通濾波(bo)器作爲(wei)“監測通(tong)道”。圖2爲(wei)“監測通(tong)道”的幅(fu)頻㊙️曲線(xian)示意圖(tu)。
 
3渦街流(liu)量計信(xin)号處理(li)硬件設(she)計
　　硬件(jian)系統主(zhu)要包括(kuo)前置放(fang)大電路(lu)、可控增(zeng)益調整(zheng)電路、測(ce)量✨通道(dao)以及監(jian)測通道(dao)單元。各(ge)部分電(dian)路之間(jian)相🤩互協(xie)調完成(cheng)整個硬(ying)件系統(tong)的信号(hao)處理。
3.1前(qian)置放大(da)電路
　　本(ben)文采用(yong)儀表放(fang)大器INA118作(zuo)爲前置(zhi)放大電(dian)路，以此(ci)完成壓(ya)☔電傳感(gan)器的輸(shu)入信号(hao)放大轉(zhuan)換。如圖(tu)3,INA118采用單(dan)電源供(gong)電,Ref爲信(xin)号地的(de)參考電(dian)平,爲+V∞/2。
 
3.2可(ke)控增益(yi)調整電(dian)路
　　可控(kong)增益調(diao)整電路(lu)由一個(ge)階高通(tong)濾波電(dian)路和一(yi)🈚個可調(diao)增益的(de)同相放(fang)大器組(zu)成。以此(ci)來配合(he)測量💋通(tong)道,發揮(hui)儀表🤞的(de)寬量程(cheng)優勢，完(wan)成回路(lu)的閉環(huan)自動增(zeng)益調整(zheng)。如🐇圖4,U5爲(wei)256抽頭100kQ2數(shu)字電位(wei)器🛀🏻,C43.,C40.,C39電容(rong)通過模(mo)🛀🏻拟開關(guan)選通不(bu)同的組(zu)合，形成(cheng)🏃🏻‍♂️具有隔(ge)直和分(fen)頻段🌈濾(lü)波作用(yong)的轉折(she)頻率可(ke)🐆控的一(yi)階高通(tong)濾波器(qi)。同相放(fang)大器的(de)放大倍(bei)數爲1+RP0/R5。
 
3.3測(ce)量通道(dao)
　　測量通(tong)道是整(zheng)個硬件(jian)系統的(de)核心部(bu)分，包括(kuo)數控帶(dai)通濾波(bo)器和硬(ying)件脈沖(chong)整形電(dian)路，以此(ci)完成信(xin)号的濾(lü)波處理(li)和🔞脈沖(chong)整形任(ren)務。數控(kong)帶通濾(lü)波器由(you)兩個具(ju)🌈有相同(tong)的轉折(she)頻率的(de)🙇🏻一階低(di)通濾波(bo)器和一(yi)個二階(jie)高通濾(lü)波器組(zu)成，如圖(tu)5所示。
 
　　硬(ying)件脈沖(chong)整形電(dian)路如圖(tu)6所示,爲(wei)一個施(shi)密特觸(chu)發⁉️器,對(dui)經👄過濾(lü)波的信(xin)号進行(hang)觸發整(zheng)形，得到(dao)包含信(xin)号頻率(lü)信息的(de)方波信(xin)号。施密(mi)特觸發(fa)器的高(gao)低觸⚽發(fa)阈值電(dian)壓由🐆以(yi)下二式(shi)決定:
 
　　式(shi)中VH爲高(gao)觸發阈(yu)值;VL爲低(di)觸發阈(yu)值;VCH爲高(gao)電平電(dian)壓;VCL爲低(di)電㊙️平電(dian)壓;VREF爲參(can)考電壓(ya)。在本設(she)計中，電(dian)源電壓(ya)爲3.3V,單電(dian)源供電(dian)，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信(xin)号參考(kao)點爲0~3.3V的(de)中心點(dian)1.65V,所以VREF=1.65V;施(shi)密特㊙️觸(chu)發阈值(zhi)VH-VL=0.9V.
 
3.4監測通(tong)道
　　如圖(tu)7爲監測(ce)通道的(de)濾波電(dian)路。電阻(zu)U21-P1和電容(rong)C2構成一(yi)階低通(tong)濾波，電(dian)阻U21-P0和電(dian)容C44構成(cheng)一階高(gao)通濾波(bo)。若介質(zhi)爲☔液體(ti),則模拟(ni)開關U25關(guan)斷;若介(jie)質爲氣(qi)體,則選(xuan)通模拟(ni)開關。此(ci)處施密(mi)特觸發(fa)阈值VH-VL=0.78V。
 
4實(shi)驗結果(guo)與分析(xi)
　　本設計(ji)在50mm口徑(jing)渦街流(liu)量計實(shi)驗裝置(zhi)上進行(hang)試驗。圖(tu)8所🏃🏻‍♂️示爲(wei)✂️信✔️号流(liu)各測試(shi)點波形(xing)圖。圖8a上(shang)方的波(bo)形爲前(qian)置放大(da)後.輸出(chu)的波形(xing)(TPO),壓電傳(chuan)感器輸(shu)出的差(cha)分信号(hao)⭕經前置(zhi)儀表放(fang)大器輸(shu)出轉換(huan)後，得到(dao)的正弦(xian)信号,但(dan)信号信(xin)噪比相(xiang)對較差(cha);下方的(de)💛波形爲(wei)經📐過測(ce)量通道(dao)濾波輸(shu)出之後(hou)的波形(xing)(TP1),經💃🏻過濾(lü)波去噪(zao)🌏放大處(chu)理,得到(dao)🌈的高信(xin)噪比信(xin)号。圖8b下(xia)方波形(xing)即是經(jing)過測量(liang)通道濾(lü)波輸出(chu)之後的(de)波形(TP1);上(shang)方波形(xing)爲經過(guo)軟件脈(mo)沖整形(xing)之後輸(shu)出的方(fang)波🔞信号(hao)(TP4),對于峰(feng)峰值大(da)于💘設定(ding)阈值的(de)模拟信(xin)号，軟件(jian)脈沖整(zheng)形都能(neng)正确輸(shu)出方波(bo)。圖8c.上方(fang)波形即(ji)爲經過(guo)軟件脈(mo)沖整形(xing)之後輸(shu)出的方(fang)波信号(hao)(TP4),因爲有(you)存在小(xiao)于脈沖(chong)整形阈(yu)值的信(xin)号，緻使(shi)輸✊出方(fang)波存在(zai)缺波現(xian)象;下方(fang)波形爲(wei)㊙️經過功(gong)率最大(da)頻率點(dian)周期估(gu)🔱計之後(hou)輸出的(de)波形(TP5),通(tong)過軟件(jian)濾波最(zui)大程度(du)的複原(yuan)了真😍實(shi)的信号(hao)波形，保(bao)證了測(ce)量精度(du)㊙️。
 
　　在開發(fa)過程中(zhong),渦街流(liu)量計的(de)校準檢(jian)定是必(bi)不可少(shao)的❓。通過(guo)校準可(ke)以确定(ding)渦街流(liu)量計的(de)性能指(zhi)标，尋找(zhao)影響儀(yi)表特性(xing)的各⚽種(zhong)因素,爲(wei)提高儀(yi)表性能(neng)提供依(yi)據。本文(wen)🈲對50mm口徑(jing)液體渦(wo)街流量(liang)👣計采用(yong)靜态容(rong)積法進(jin)行校準(zhun)檢⁉️定,其(qi)流量📐檢(jian)定範圍(wei)爲1~50m³/h,流量(liang)檢定點(dian)分别爲(wei)2%、10%、20%、40%.91%五點。具(ju)體檢定(ding)數據如(ru)表1所示(shi):
 
　　由計算(suan)得:儀表(biao)系數:9.4179(次(ci)/L)線性度(du):±2.56%
　　重複性(xing):0.142%基本誤(wu)差:2.564%
　　國内(nei)渦街流(liu)量計在(zai)50mm口徑時(shi)，對液體(ti)的測量(liang)範圍一(yi)㊙️般爲3~50m³/h,本(ben)🔱文所📐設(she)計的渦(wo)街流量(liang)計信号(hao)處理方(fang)法的測(ce)量下限(xian)達到了(le)1.2m³/h左右，拓(tuo)展了2.5倍(bei)左右的(de)測量下(xia)限🔅,使量(liang)程範圍(wei)擴大了(le)2.5倍。
　　由表(biao)1的液體(ti)檢定數(shu)據可見(jian)，在對中(zhong)高流速(su)的測量(liang)🈲下,即10~50m³/h範(fan)圍内，檢(jian)定的儀(yi)表系數(shu)穩定在(zai)9.2左右，但(dan)在1.2m³/h低流(liu)速的情(qing)況下達(da)到👈了9.6594,因(yin)此産生(sheng)了較大(da)的線性(xing)度和基(ji)本🔴誤差(cha)。在1.2m³/h流速(su)點時儀(yi)表💞系數(shu).上升明(ming)顯,但是(shi)1.2m³/h流速下(xia)的3個測(ce)試點重(zhong)複性較(jiao)好(0.142%),而且(qie)通㊙️過示(shi)波器監(jian)視頻率(lü)輸出波(bo)形,看到(dao)脈沖輸(shu)出均🈲勻(yun),沒有看(kan)到😄誤捕(bu)捉脈沖(chong)的情況(kuang)，因此考(kao)慮主要(yao)是由于(yu)小口徑(jing)低流速(su)下儀表(biao)系☔數本(ben)身的非(fei)線性造(zao)成的。通(tong)過，上位(wei)機後期(qi)的軟件(jian)非線性(xing)修正，完(wan)全可以(yi)得到線(xian)性度理(li)想的儀(yi)表系數(shu)。

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