渦街(jie)流量計 是(shì)上世紀60年(nián)代末期發(fa)展起來的(de)一種振動(dong)頻率與流(liu)速成正比(bi)㊙️的流量計(ji)。針對渦街(jie)流量計在(zài)低流速時(shi)幅值小而(ér)高流速幅(fú)值大,且低(di)流速信噪(zao)比低而高(gao)流速🙇‍♀️信噪(zào)比高的特(tè)♋點，設計了(le)一套雙通(tong)道渦街流(liú)量計信号(hào)處理方👈法(fǎ)，通過測💛量(liàng)通道與監(jiān)測通道的(de)配合工作(zuò),提升了低(di)流速的測(ce)量性能,擴(kuo)大了渦街(jie)流量計測(cè)量量程。
　　理(lǐ)論上,渦街(jie)流量計的(de)測量量程(cheng)比可達幾(jǐ)百比一-1,但(dan)由🤟于渦街(jie)流量計在(zài)測量低流(liu)速時産生(shēng)的旋渦🙇🏻壓(yā)力小，初始(shǐ)信号較微(wēi)弱㊙️,同時受(shou)現場複雜(za)工況的影(ying)響,在進行(hang)低流速測(ce)量時不能(neng)有效進行(háng)濾波,容易(yi)被噪聲淹(yan)沒。目前⁉️國(guó)内的渦街(jie)流量計産(chan)品量程🈚比(bǐ)多爲10:1到15:1。
　　本(ben)文以壓電(dian)式渦街流(liú)量計爲基(ji)礎，根據渦(wō)街流量計(ji)信号與噪(zao)聲的特點(diǎn),通過改進(jìn)前置放大(dà)電路和濾(lü)波處理電(diàn)路，設計了(le)雙通道渦(wo)街流量計(jì)信号處理(li)系統，從而(ér)實現整個(ge)工作頻段(duàn)的流量測(ce)量,達到✔️提(ti)高測量量(liang)程比的👌目(mù)的。
1渦街流(liú)量計的信(xin)号特點
　　渦(wo)街流量計(jì)的振動頻(pin)率與流速(sù)(流量)之間(jiān)的關系(3):
f=(St×v)/d(1)
　　式(shi)中:St爲斯特(tè)勞哈爾數(shù);f爲輸出頻(pín)率;V爲流體(ti)流速;d爲🈲旋(xuán)渦發生體(ti)🚶寬度。
　　工程(cheng)中常用下(xia)式進行流(liu)體流量測(cè)量(4:
qv=3600×tf/K(2)
　　式中:qv爲(wèi)體積流量(liang);K爲儀表系(xì)數。
2雙通道(dào)渦街流量(liang)計信号處(chu)理方法分(fèn)析
2.1測量通(tong)道信号處(chu)理方法分(fen)析
　　本設計(ji)采用由具(ju)有1/f²衰減(-40dB/dec)特(te)性的低頻(pin)濾波器和(he)二階高通(tong)濾波器(40dB/dec)組(zu)成的帶通(tōng)濾波器來(lái)對原始信(xìn)号的幅頻(pin)特性進🌐行(háng)處理。該💞濾(lü)波器的幅(fú)頻特性爲(wèi):
 
　　在低頻段(duàn)，渦街信号(hào)經過相同(tóng)轉折頻率(lǜ)的低通濾(lü)波器，輸出(chū)幅值爲常(cháng)數;在高頻(pín)段,低通濾(lü)波器轉折(shé)頻率⭐後移(yi)🛀🏻，使低通濾(lü)波器基本(ben)放開。圖1爲(wei)50mm口徑管道(dao)液體的頻(pin)率段劃分(fen)示意圖。此(ci)四頻段信(xìn)号處理方(fang)法構成的(de)“測量通道(dao)”是整個渦(wo)街信号處(chù)理體系的(de)主體通道(dao)。
 
2.2監測通道(dào)信号處理(li)方法分析(xī)
　　爲監測信(xin)号由低頻(pín)突變爲高(gao)頻時的狀(zhuang)況，本文設(she)計了一個(ge)由轉折頻(pin)率爲fL=fmax/2=70Hz的一(yī)階低通濾(lü)波器與轉(zhuan)折頻率爲(wei)fH=8*fmin=16Hz的一階高(gāo)通濾波器(qi)組成的帶(dai)通濾波器(qi)作爲“監測(ce)通道”。圖2爲(wei)“監測通道(dao)📱”的幅頻曲(qu)線示意圖(tú)。
 
3渦街流量(liàng)計信号處(chù)理硬件設(shè)計
　　硬件系(xì)統主要包(bāo)括前置放(fàng)大電路、可(kě)控增益調(diào)整電路💜、測(cè)量通🏃‍♀️道以(yǐ)及監測通(tōng)道單元。各(gè)部分電路(lù)之間相互(hu)協調完成(chéng)整👣個硬件(jiàn)系統的信(xìn)号處理。
3.1前(qián)置放大電(dian)路
　　本文采(cǎi)用儀表放(fang)大器INA118作爲(wèi)前置放大(da)電路，以此(ci)完成壓❤️電(dian)傳感器的(de)輸入信号(hào)放大轉換(huàn)。如圖3,INA118采用(yòng)單電源😘供(gong)電,Ref爲信号(hao)地的參考(kǎo)電平,爲+V∞/2。
 
3.2可(ke)控增益調(diao)整電路
　　可(kě)控增益調(diao)整電路由(you)一個階高(gao)通濾波電(diàn)路和一個(ge)可♉調增☀️益(yi)的同相放(fàng)大器組成(cheng)。以此來配(pei)合測量📱通(tong)道,發揮👄儀(yi)表的寬量(liàng)程優勢，完(wan)成回路的(de)閉環自✊動(dòng)增益調整(zhěng)。如圖4,U5爲256抽(chou)頭100kQ2數字電(diàn)位器,C43.,C40.,C39電容(rong)通過模拟(nǐ)開關選通(tong)不同的組(zǔ)合，形成📞具(ju)有隔直和(he)分頻段濾(lǜ)波作用的(de)轉折頻率(lü)可控的一(yī)階高通濾(lü)波器。同❌相(xiang)放大器的(de)放大倍數(shu)爲1+RP0/R5。
 
3.3測量通(tōng)道
　　測量通(tōng)道是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部(bù)分，包括數(shù)控帶通濾(lǜ)💞波器和硬(yìng)件脈沖整(zhěng)形電路，以(yǐ)此完成信(xin)号🙇🏻的濾波(bō)處理和🙇‍♀️脈(mò)沖整形🏃‍♀️任(rèn)務。數控帶(dài)通濾波器(qi)由🚶‍♀️兩個具(ju)有相同🚩的(de)轉折頻率(lü)的一階低(dī)通濾波器(qi)和一個二(er)階高通濾(lü)波器組成(chéng)，如圖5所示(shi)。
 
　　硬件脈沖(chòng)整形電路(lu)如圖6所示(shì),爲一個施(shī)密特觸發(fa)㊙️器,對經過(guò)濾波的信(xìn)号進行觸(chu)發整形，得(de)到包含信(xìn)号頻率信(xìn)息的方波(bo)信号。施密(mi)特觸發器(qi)的高低觸(chù)發阈值電(dian)壓由以下(xià)二式決定(ding):
 
　　式中VH爲高(gao)觸發阈值(zhi);VL爲低觸發(fa)阈值;VCH爲高(gao)電平電壓(ya);VCL爲低電平(ping)🈲電壓;VREF爲參(can)考電壓。在(zài)本設計中(zhōng)，電源電壓(ya)爲3.3V,單🈚電源(yuán)供電，因此(ci)VCH=3.3V,VCL=0V;信号參考(kǎo)點爲0~3.3V的中(zhong)心點1.65V,所以(yi)VREF=1.65V;施密特觸(chu)發阈值VH-VL=0.9V.
 
3.4監(jian)測通道
　　如(ru)圖7爲監測(ce)通道的濾(lü)波電路。電(dian)阻U21-P1和電容(róng)C2構成一階(jiē)低通濾🔞波(bo)，電阻U21-P0和電(diàn)容C44構成一(yi)階高通濾(lǜ)波。若介質(zhì)爲✌️液體,則(ze)模拟開關(guān)U25關斷;若介(jiè)質爲氣體(ti),則選通模(mó)拟開關。此(cǐ)處🐆施密特(tè)觸發阈🍓值(zhi)VH-VL=0.78V。
 
4實驗結果(guo)與分析
　　本(běn)設計在50mm口(kou)徑渦街流(liú)量計實驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗。圖(tu)8所示爲信(xin)号流各測(cè)試點波形(xíng)圖。圖8a上方(fang)的波形爲(wei)前置放大(dà)後.輸出的(de)波形(TPO),壓電(diàn)傳感器輸(shu)出的差分(fèn)信号♋經前(qian)置儀表放(fang)大器輸出(chu)轉換後，得(de)到的正弦(xián)信号,但信(xìn)号信噪比(bi)相對較差(cha);下方的波(bo)形爲經過(guò)測量通道(dao)濾波輸出(chū)之後的波(bō)形(TP1),經過濾(lü)波去噪放(fang)大處理,得(dé)㊙️到的高信(xin)噪比信🐕号(hao)。圖8b下方波(bō)形🙇‍♀️即是經(jing)過測量通(tong)道濾波輸(shū)出之後的(de)波形(TP1);上方(fang)波形爲經(jing)過軟件脈(mò)沖整形之(zhi)後輸出的(de)方波信🆚号(hào)(TP4),對于峰峰(fēng)值大于設(she)定阈值的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻模拟信号(hao)，軟件脈沖(chong)整形都🔞能(neng)正确輸出(chū)方波。圖8c.上(shàng)方波形即(ji)爲經過軟(ruǎn)件脈沖⚽整(zheng)形之後輸(shu)出的方波(bō)信号🌂(TP4),因爲(wei)有存在小(xiǎo)于脈沖整(zheng)形阈值的(de)信号，緻使(shi)輸出方波(bo)存在缺波(bo)現象;下方(fang)波形爲經(jīng)過功率最(zui)大頻率點(diǎn)周期估👄計(ji)之後輸出(chu)的波形(TP5),通(tong)過軟件濾(lü)波最大程(cheng)度的複原(yuan)了真🏃🏻‍♂️實🔱的(de)信号波形(xing)，保證了測(cè)量精度。
 
　　在(zai)開發過程(chéng)中,渦街流(liú)量計的校(xiao)準檢定是(shì)必不可📞少(shǎo)🏃‍♂️的🈲。通過校(xiào)準可以确(què)定渦街流(liú)量計的性(xìng)能指标🔴，尋(xun)找影響儀(yi)表特性的(de)各❤️種因素(sù),爲提高儀(yí)表性能提(ti)供依據。本(ben)文對50mm口徑(jing)⛷️液體渦街(jie)流量計采(cǎi)用靜态容(rong)積法進行(hang)校準檢🙇🏻定(ding),其流量檢(jian)定範圍爲(wèi)1~50m³/h,流量檢定(ding)點分别爲(wèi)2%、10%、20%、40%.91%五點。具體(tǐ)檢定數據(jù)如表♊1所示(shì):
 
　　由計算得(de):儀表系數(shù):9.4179(次/L)線性度(du):±2.56%
　　重複性:0.142%基(ji)本誤差:2.564%
　　國(guó)内渦街流(liú)量計在50mm口(kǒu)徑時，對液(ye)體的測量(liang)範圍一般(bān)爲3~50m³/h,本文所(suo)設計的渦(wō)街流量計(ji)信号處理(li)方法的📧測(cè)量⛹🏻‍♀️下限達(dá)到了1.2m³/h左右(you)，拓展了2.5倍(bei)左右的測(ce)量下限🐆,使(shi)量程🌈範圍(wei)擴大了2.5倍(bèi)。
　　由表1的液(ye)體檢定數(shu)據可見，在(zai)對中高流(liú)速的測量(liang)下✨,即10~50m³/h範☀️圍(wéi)内，檢定的(de)儀表系數(shu)穩定在9.2左(zuo)右，但在1.2m³/h低(di)😘流速的情(qing)況下達到(dao)了9.6594,因此産(chan)生了較大(dà)的線性度(du)和基本誤(wù)差。在1.2m³/h流速(su)點時儀表(biao)🈲系數.上🈲升(sheng)明顯,但是(shì)1.2m³/h流速下的(de)3個測試點(diǎn)重複性較(jiao)好(0.142%),而且通(tōng)過示波器(qì)監視頻率(lǜ)輸出波形(xing),看到🤟脈沖(chong)輸出均🈚勻(yun),沒有看到(dào)誤捕捉脈(mo)沖的🔅情況(kuàng)，因此考慮(lǜ)主要是由(you)于小口徑(jìng)低流速下(xià)儀表系🆚數(shu)本身的非(fēi)線性📱造成(cheng)的。通過，上(shang)位機後期(qi)的軟件非(fei)線性修正(zhèng)，完全可以(yi)得到線性(xìng)✉️度理想的(de)儀表系數(shu)。

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