渦街流量計是上世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的一種振動頻率與流速成正比的流量計。針對渦街流量計在低流速時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點，設(shè)計了一套雙通道渦街流量計信號處理方法，通過測量通道與監(jiān)測通道的配合工作,提升了低流速的測量性能,擴大了渦街流量計測量量程。
理論上,渦街流量計的測量量程比可達幾百比一-1,但由于渦街流量計在測量低流速時產(chǎn)生的旋渦壓力小，初始信號較微弱,同時受現(xiàn)場復(fù)雜工況的影響,在進行低流速測量時不能有效進行濾波,容易被噪聲淹沒。目前國內(nèi)的渦街流量計產(chǎn)品量程比多為10:1到15:1。
本文以壓電式渦街流量計為基礎(chǔ)，根據(jù)渦街流量計信號與噪聲的特點,通過改進前置放大電路和濾波處理電路，設(shè)計了雙通道渦街流量計信號處理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個工作頻段的流量測量,達到提高測量量程比的目的。
1渦街流量計的信號特點
渦街流量計的振動頻率與流速(流量)之間的關(guān)系(3):
f=(St×v)/d(1)
式中:St為斯特勞哈爾數(shù);f為輸出頻率;V為流體流速;d為旋渦發(fā)生體寬度。
工程中常用下式進行流體流量測量(4:
qv=3600×tf/K(2)
式中:qv為體積流量;K為儀表系數(shù)。
2雙通道渦街流量計信號處理方法分析
2.1測量通道信號處理方法分析
本設(shè)計采用由具有1/f²衰減(-40dB/dec)特性的低頻濾波器和二階高通濾波器(40dB/dec)組成的帶通濾波器來對原始信號的幅頻特性進行處理。該濾波器的幅頻特性為:
在低頻段，渦街信號經(jīng)過相同轉(zhuǎn)折頻率的低通濾波器，輸出幅值為常數(shù);在高頻段,低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率后移，使低通濾波器基本放開。圖1為50mm口徑管道液體的頻率段劃分示意圖。此四頻段信號處理方法構(gòu)成的“測量通道”是整個渦街信號處理體系的主體通道。
2.2監(jiān)測通道信號處理方法分析
為監(jiān)測信號由低頻突變?yōu)楦哳l時的狀況，本文設(shè)計了一個由轉(zhuǎn)折頻率為fL=fmax/2=70Hz的一階低通濾波器與轉(zhuǎn)折頻率為fH=8*fmin=16Hz的一階高通濾波器組成的帶通濾波器作為“監(jiān)測通道”。圖2為“監(jiān)測通道”的幅頻曲線示意圖。
3渦街流量計信號處理硬件設(shè)計
硬件系統(tǒng)主要包括前置放大電路、可控增益調(diào)整電路、測量通道以及監(jiān)測通道單元。各部分電路之間相互協(xié)調(diào)完成整個硬件系統(tǒng)的信號處理。
3.1前置放大電路
本文采用儀表放大器INA118作為前置放大電路，以此完成壓電傳感器的輸入信號放大轉(zhuǎn)換。如圖3,INA118采用單電源供電,Ref為信號地的參考電平,為+V∞/2。
3.2可控增益調(diào)整電路
可控增益調(diào)整電路由一個階高通濾波電路和一個可調(diào)增益的同相放大器組成。以此來配合測量通道,發(fā)揮儀表的寬量程優(yōu)勢，完成回路的閉環(huán)自動增益調(diào)整。如圖4,U5為256抽頭100kQ2數(shù)字電位器,C43.,C40.,C39電容通過模擬開關(guān)選通不同的組合，形成具有隔直和分頻段濾波作用的轉(zhuǎn)折頻率可控的一階高通濾波器。同相放大器的放大倍數(shù)為1+RP0/R5。
3.3測量通道
測量通道是整個硬件系統(tǒng)的核心部分，包括數(shù)控帶通濾波器和硬件脈沖整形電路，以此完成信號的濾波處理和脈沖整形任務(wù)。數(shù)控帶通濾波器由兩個具有相同的轉(zhuǎn)折頻率的一階低通濾波器和一個二階高通濾波器組成，如圖5所示。
硬件脈沖整形電路如圖6所示,為一個施密特觸發(fā)器,對經(jīng)過濾波的信號進行觸發(fā)整形，得到包含信號頻率信息的方波信號。施密特觸發(fā)器的高低觸發(fā)閾值電壓由以下二式?jīng)Q定:
式中VH為高觸發(fā)閾值;VL為低觸發(fā)閾值;VCH為高電平電壓;VCL為低電平電壓;VREF為參考電壓。在本設(shè)計中，電源電壓為3.3V,單電源供電，因此VCH=3.3V,VCL=0V;信號參考點為0~3.3V的中心點1.65V,所以VREF=1.65V;施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.9V.
3.4監(jiān)測通道
如圖7為監(jiān)測通道的濾波電路。電阻U21-P1和電容C2構(gòu)成一階低通濾波，電阻U21-P0和電容C44構(gòu)成一階高通濾波。若介質(zhì)為液體,則模擬開關(guān)U25關(guān)斷;若介質(zhì)為氣體,則選通模擬開關(guān)。此處施密特觸發(fā)閾值VH-VL=0.78V。
4實驗結(jié)果與分析
本設(shè)計在50mm口徑渦街流量計實驗裝置上進行試驗。圖8所示為信號流各測試點波形圖。圖8a上方的波形為前置放大后.輸出的波形(TPO),壓電傳感器輸出的差分信號經(jīng)前置儀表放大器輸出轉(zhuǎn)換后，得到的正弦信號,但信號信噪比相對較差;下方的波形為經(jīng)過測量通道濾波輸出之后的波形(TP1),經(jīng)過濾波去噪放大處理,得到的高信噪比信號。圖8b下方波形即是經(jīng)過測量通道濾波輸出之后的波形(TP1);上方波形為經(jīng)過軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(TP4),對于峰峰值大于設(shè)定閾值的模擬信號，軟件脈沖整形都能正確輸出方波。圖8c.上方波形即為經(jīng)過軟件脈沖整形之后輸出的方波信號(TP4),因為有存在小于脈沖整形閾值的信號，致使輸出方波存在缺波現(xiàn)象;下方波形為經(jīng)過功率最大頻率點周期估計之后輸出的波形(TP5),通過軟件濾波最大程度的復(fù)原了真實的信號波形，保證了測量精度。
在開發(fā)過程中,渦街流量計的校準(zhǔn)檢定是必不可少的。通過校準(zhǔn)可以確定渦街流量計的性能指標(biāo)，尋找影響儀表特性的各種因素,為提高儀表性能提供依據(jù)。本文對50mm口徑液體渦街流量計采用靜態(tài)容積法進行校準(zhǔn)檢定,其流量檢定范圍為1~50m³/h,流量檢定點分別為2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定數(shù)據(jù)如表1所示:
由計算得:儀表系數(shù):9.4179(次/L)線性度:±2.56%
重復(fù)性:0.142%基本誤差:2.564%
國內(nèi)渦街流量計在50mm口徑時，對液體的測量范圍一般為3~50m³/h,本文所設(shè)計的渦街流量計信號處理方法的測量下限達到了1.2m³/h左右，拓展了2.5倍左右的測量下限,使量程范圍擴大了2.5倍。
由表1的液體檢定數(shù)據(jù)可見，在對中高流速的測量下,即10~50m³/h范圍內(nèi)，檢定的儀表系數(shù)穩(wěn)定在9.2左右，但在1.2m³/h低流速的情況下達到了9.6594,因此產(chǎn)生了較大的線性度和基本誤差。在1.2m³/h流速點時儀表系數(shù).上升明顯,但是1.2m³/h流速下的3個測試點重復(fù)性較好(0.142%),而且通過示波器監(jiān)視頻率輸出波形,看到脈沖輸出均勻,沒有看到誤捕捉脈沖的情況，因此考慮主要是由于小口徑低流速下儀表系數(shù)本身的非線性造成的。通過，上位機后期的軟件非線性修正，完全可以得到線性度理想的儀表系數(shù)。
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