摘(zhāi)要:比(bǐ)較了(le)渦街(jiē)流量計(jì) 的(de)測量(liàng)方法,選用(yòng)了具有靈敏度高、耐(nài)熱性強抗(kàng)震性(xìng)強等優點(diǎn)的電容式渦街流量計,介紹了其測(cè)量原(yuán)理與(yǔ)系統(tǒng)組成.通過科(kē)學(xué)的理論推(tuī)導,獲(huò)得渦街力、偏轉(zhuǎn)角與電容的關(guān)系,并将電容式(shì)渦街流量測量(liàng)信号(hào)處(chù)理方法(fǎ)進行分析和比較.最(zuì)後闡述了(le)電容式渦街流(liú)量計(jì)研制的技(jì)術關鍵(jiàn).
　　渦街流(liú)量計(jì)具有精度(dù)高、量(liàng)程比(bǐ)較寬(kuān)、線性(xìng)度較好且(qiě)适用各種介質(zhì)等一(yī)系列的優點,在計量(liàng)檢測中發揮越來越(yuè)大(dà)的(de)作用(yòng),有着廣泛的(de)應用前(qián)景,因(yīn)此對(duì)渦街(jiē)流量計的研究(jiū)具有(yǒu)重要的意義.
　　渦(wō)街流量傳(chuán)感器按檢測(cè)方(fāng)式主要有熱敏(mǐn)式、應力式、電容式等(děng).熱(rè)敏式渦街(jiē)傳感器靈敏(mǐn)度高,适宜低(dī)溫(wēn)、低密度的(de)氣體(tǐ)測量,但易受流體中污(wū)物(wù)的影響或損壞(huài).應力(lì)式渦街傳感器(qì)具有響應(yīng)快、信(xìn)号強、工(gōng)藝性好(hǎo)、制造(zào)成本低等(děng)優點,但(dàn)抗(kàng)震性(xìng)相對較差,信噪(zào)比較低,，在(zài)低密(mì)度、低流速環境(jìng)振動大的場合不(bú)宜(yí)使用(yòng)電容(róng)式渦(wō)街流(liú)量計(jì)與其(qí)他渦(wō)街流量計相比,具有(yǒu)靈敏(mǐn)度高、耐熱(rè)性(xìng)強、抗震(zhèn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而在(zài)工業企業(yè)中得(dé)到了廣(guǎng)泛的應(yīng)用.
1電(diàn)容式渦街流量測量原理(lǐ)與系(xì)統組成(chéng)
　　渦(wō)街流量計(jì)是利(lì)用流體(tǐ)振蕩原(yuán)理來(lái)測量流量或流速.在流體(tǐ)中放置一個具(jù)有均(jun1)勻斷(duàn)面形狀的擋體(tǐ)，在擋(dǎng)體的(de)兩(liǎng)側會交替産生一種有(yǒu)規律的漩渦,并向下遊流(liú)去,非(fēi)對稱地(dì)形(xíng)成二(èr)列漩渦(wō)列,即卡(kǎ)門渦街.利(lì)用這(zhè)種漩(xuán)渦産(chǎn)生(shēng)的(de)規律,根據漩渦(wō)産生的頻率ƒ,通(tōng)過
 
　　其(qí)中(zhōng),ʋ表(biǎo)示流(liú)體流速(sù);d表示漩(xuán)渦發(fā)生(shēng)體特征(zhēng)寬度;m表示(shì)漩渦(wō)發生體兩側弓(gōng)形面積與管道(dào)橫(héng)截面面(miàn)積之(zhī)比;q表(biǎo)示體積流(liú)量;d表示管(guǎn)道内(nèi)徑;k表示(shì)流量計(jì)儀表(biǎo)系數.斯特(tè)哈爾數(shù)爲無量(liàng)綱參(cān)數,它與(yǔ)旋渦發(fā)生(shēng)體形狀(zhuàng)及雷諾數有關(guān)，在雷(léi)諾數的範(fàn)圍爲2x104~7x106時,s;可視爲常數,即儀表正(zhèng)常工(gōng)作範(fàn)圍.
　　電容式渦(wō)街傳感(gǎn)器的檢(jiǎn)測(cè)元件(jiàn)是一(yī)-根(gēn)剛性空(kōng)心圓杆,當渦(wō)街(jiē)作用在(zài)圓杆底(dǐ)部時(shí),剛性(xìng)圓杆(gǎn)會繞(rào)着固定點偏轉.圓杆(gǎn).上部(bù)作爲(wèi)電(diàn)容的-一(yī)個極闆,，與(yǔ)另外(wài)兩個(gè)電(diàn)極組成(chéng)差動(dòng)電容,差動(dòng)電容(róng)值會随圓(yuán)杆擺動而改變(biàn),其規(guī)律爲與渦(wō)街發(fā)生同頻率的周(zhōu)期性變化(huà).轉換器檢測電(diàn)容的變化(huà),并轉(zhuǎn)換爲(wèi)脈沖信号(hào),該脈沖頻率就(jiù)是渦街(jiē)的發生(shēng)頻率(lǜ),與流量大(dà)小成正比.轉換(huàn)器最(zuì)終輸出流(liú)量大小(xiǎo)爲4~20ma模拟(nǐ)信号或通(tōng)過hart現(xiàn)場總線輸出數(shù)字信(xìn)号.電容(róng)傳(chuán)感器如圖1所示(shì)，.
 
　　渦街力與偏轉(zhuǎn)角的關系(xì)是根(gēn)據轉動的物體(tǐ)遵循牛(niú)頓轉動(dòng)定律(lǜ)得出,通過(guò)必要的理論推(tuī)導,獲(huò)得渦街力(lì)、偏轉(zhuǎn)角與(yǔ)電容(róng)的關系爲(wèi)
 
　　其(qí)中(zhōng)，t表示物體(tǐ)所受(shòu)到的力矩;j表示物體(tǐ)轉動慣量(liàng);θ表示(shì)角(jiǎo)位移;c表(biǎo)示粘性摩(mó)擦系(xì)數.
渦街力與流(liú)速之間(jiān)的關系(xì)爲
 
　　其中，f表(biǎo)示渦(wō)街産生(shēng)的交替推力，t=f*r;cl表示無量(liàng)綱系數(shù);ʋ表(biǎo)示流(liú)體的流(liú)速;q表示(shì)流體的密度;d表(biǎo)示管道内徑;d表(biǎo)示漩渦(wō)發(fā)生體迎流(liú)面(miàn)寬度.
最(zuì)後偏轉角與電容的(de)關系爲
 
　　其(qí)中,△c表示(shì)差(chà)動電(diàn)容;Ɛ表示電容介質系數;b表(biǎo)示極(jí)闆寬(kuān)度(dù);δ表(biǎo)示兩(liǎng)極闆(pǎn)的間距.
　　電(diàn)容式(shì)渦(wō)街流量(liàng)計由傳(chuán)感(gǎn)器(qì)和(hé)轉換器兩(liǎng)部分組成.傳(chuán)感(gǎn)器包(bāo)括漩渦發生體(tǐ)(阻流體)檢測元(yuán)件、儀表(biǎo)表體等(děng);轉換器包(bāo)括電(diàn)荷檢測電路、濾(lǜ)波整(zhěng)形(xíng)電路、微(wēi)處理器、d/a轉(zhuǎn)換電(diàn)路、輸(shū)出接口電路、顯示通信電路、端子、支(zhī)架和(hé)防護罩(zhào)等(děng).
2電容(róng)式渦街流量測(cè)量計(jì)信(xìn)号處理(lǐ)方法比(bǐ)較
　　渦街流量(liàng)信号(hào)由兩(liǎng)部分組成:--是由(yóu)流速産生的正(zhèng)弦渦街信号,1二是幹(gàn)擾引起的噪聲(shēng)信号,因此渦街(jiē)信号(hào)遠非理想(xiǎng)的正弦波(bō)信号,而是一個(gè)混有強噪(zào)聲的(de)混合(hé)信号.現在(zài)，已經提出了很(hěn)多種處理渦街(jiē)信号的方法,用來提取流量信号的頻(pín)率(lǜ).
2.1譜分析信(xìn)号處理方法
　　建立(lì)噪聲模(mó)闆和(hé)信号模闆(pǎn)的基礎上(shàng),用譜(pǔ)分析方法(fǎ)消除(chú)渦街流量計中的強(qiáng)噪聲是近(jìn)年來研究熱(rè)點(diǎn)之一(yī),利用該方法解決強(qiáng)幹擾(rǎo)條件(jiàn)下渦街流(liú)量(liàng)計測量問題(tí).首先(xiān)将頻率測(cè)量範圍分段,在(zài)不同(tóng)頻段建立(lì)噪聲模闆,然後用混合信号的(de)功率譜(pǔ)與(yǔ)噪聲模闆(pǎn),提取(qǔ)噪聲(shēng),再利用插值法(fǎ)消除(chú)噪聲(shēng),最後(hòu)對(duì)消除噪(zào)聲的(de)信号(hào)進行頻(pín)譜(pǔ)分析,計算出頻率，利(lì)用頻譜校(xiào)正法提高(gāo)計算精度[31.但是(shì),噪聲(shēng)情況各種各樣(yàng).不易獲得噪聲(shēng)的所有(yǒu)模闆.經(jīng)典譜(pǔ)分(fèn)析算法(fǎ)對(duì)正态分布的(de)白噪聲有很好(hǎo)的抑制作(zuò)用，方法直觀,容(róng)易編程實現.但(dàn)在非(fēi)整周期采樣時(shí)誤差(chà)較大,需要(yào)進行頻譜校正(zhèng).而現代(dài)譜分析(xī)方法(fǎ)更适合短(duǎn)序(xù)列(liè)的譜(pǔ)分析(xī),對噪聲抑制(zhì)能(néng)力強(qiáng),精(jīng)度(dù)高,但建模階數對功(gōng)率譜(pǔ)計算(suàn)的結(jié)果(guǒ)有影(yǐng)響(xiǎng),有時(shí)還存在譜線(xiàn)分裂現象.
2.2自适應(yīng)濾波信号處理(lǐ)方法
　　采用基于(yú)最(zuì)小均(jun1)方(fāng)自适(shì)應算法的現代(dài)譜分(fèn)析處(chù)理流量信号.自(zì)适應(yīng)濾波方法(fǎ)采用十抽一濾(lǜ)波器(qì)和高低(dī)通濾波(bō)器.自适應(yīng)陷波針對(duì)不同頻率的信(xìn)号建立不(bú)同參(cān)數的模型(xíng),在非整周期(qī)采(cǎi)樣、諧波(bō)和噪聲(shēng)千擾情況下頻(pín)率測量都(dōu)能達(dá)到較好的精度(dù),其不足之(zhī)處是(shì)采樣點數(shù)多,計(jì)算時(shí)間長,實時(shí)性差(chà).如(rú)果流量(liàng)信号發生(shēng)突變(biàn),而采(cǎi)樣頻(pín)率沒有及時跟蹤,會造成較大的測(cè)量誤(wù)差.由漩渦發(fā)生(shēng)體、熱線探(tàn)針、前置處(chù)理電(diàn)路和apple微機(jī)構成測量系統,驗證(zhèng)了譜(pǔ)分析(xī)方法用(yòng)于渦街流量(liàng)計信(xìn)号處理(lǐ)的(de)可行性,但(dàn)是,這(zhè)種方法(fǎ)對諧波(bō)幹擾的抑制能力(lì)較差.
2.3熵譜法(fǎ)信号處理(lǐ)方法(fǎ)
　　對周(zhōu)期圖譜分(fèn)析和基(jī)于burg的現(xiàn)代譜分析方法(fǎ)一最大熵譜法(fǎ),用于渦街流量(liàng)計的信号(hào)處理進行了(le)研究,發現周期圖(tú)譜分(fèn)析方(fāng)法對(duì)長序(xù)列的(de)計算精度高,對諧波的抑(yì)制能力強(qiáng),處理非過零采樣的數據時,計算精(jīng)度不(bú)受影響,基于burg算法的(de)譜分析方(fāng)法,先(xiān)建立(lì)自回(huí)歸(guī)模(mó)型,再(zài)計算功率(lǜ)譜'51.采(cǎi)用burg算法,以正(zhèng)反(fǎn)向線性預測誤(wù)差能量的平方(fāng)和最(zuì)小(xiǎo)爲準則(zé),來(lái)估計自(zì)回歸(guī)模型的系數,特(tè)别易(yì)于短(duǎn)序列的譜分析,分辨(biàn)率較高.進行仿(páng)真後(hòu),發現burg算法(fǎ)抑制随機噪聲(shēng)能力(lì)強,但抑制(zhì)确定性噪聲,如渦街(jiē)産生的低(dī)頻(pín)擺動(dòng)噪聲的(de)能力(lì)比(bǐ)周期圖法差.
2.4dsp軟硬(yìng)件結(jié)合信(xìn)号(hào)處理方(fāng)法
　　采用(yòng)dsp芯(xīn)片将(jiāng)周期圖譜分析(xī)法和(hé)數字信号(hào)處理器應(yīng)用于(yú)渦街流(liú)量計的(de)信号(hào)處理,研制(zhì)了硬、軟件系統(tǒng)計算流量信号(hào)的頻率,取(qǔ)得了不錯的效果.但(dàn)是,采用dsp芯片,首(shǒu)先是(shì)價格(gé)較高(gāo),其次在市(shì)電(diàn)供(gòng)給困(kùn)難(nán)的(de)場合(hé),如野外、井下、長期無(wú)人(rén)值守的(de)環境(jìng)下,就不能(néng)采用dsp芯片作爲(wèi)處理器了,因爲(wèi)現有(yǒu)的dsp芯片功(gōng)耗至(zhì)少有幾十(shí)毫安.基于fft的經(jīng)典譜分析方法(fǎ),直接用傅立葉(yè)變換對有(yǒu)限時(shí)間序列計算功(gōng)率譜，求取(qǔ)信号(hào)頻率(lǜ).該(gāi)方法能(néng)有效抑制(zhì)諧波(bō)幹擾(rǎo),但(dàn)在非整(zhěng)周期(qī)采樣(yàng)時,有較大的(de)洩漏誤(wù)差,必須利用頻(pín)譜校正方(fāng)法來(lái)提高(gāo)測量精度(dù).
2.5小波(bō)變(biàn)換信号(hào)處理(lǐ)方法
　　小波(bō)變換可(kě)以作爲(wèi)--組帶通濾波器,用來對(duì)渦街傳(chuán)感器(qì)信号進行(háng)濾波(bō),去(qù)除噪聲(shēng),以便正确(què)提(tí)取(qǔ)頻率信息.利用(yòng)小波變換的低通和(hé)帶通(tōng)濾波(bō)特性(xìng),可以把原始信号中的不(bú)同頻率的信号(hào)成分(fèn)分(fèn)離出來(lái)16].小波變換可看成是(shì)--組帶通濾(lǜ)波器,具有低頻處分(fèn)辨率高、高(gāo)頻處分(fèn)辨(biàn)率低(dī)的特點,但(dàn)功耗(hào)和實時性(xìng)需要(yào)進一步探讨.
2.6數(shù)字濾波器(qì)信号處理方法
　　數字(zì)濾波(bō)器的設計(jì)方法很(hěn)多,最通(tōng)用的方(fāng)法(fǎ)是(shì)利(lì)用已經(jīng)很成熟(shú)的模(mó)拟濾波器(qì)的設(shè)計方法,如(rú)butteworh濾波器、chebyshev濾波器(qì)、橢圓(yuán)濾波器等(děng).采用buttenworth濾波(bō)、低通(tōng)濾波、中位數濾(lǜ)波相結合(hé)的濾(lǜ)波(bō)方法對原始(shǐ)的渦(wō)街信号進(jìn)行處理,該方法(fǎ)能滿(mǎn)足低通濾(lǜ)波要(yào)求,通過合理選擇窗(chuāng)口長(zhǎng)度可(kě)以有效濾(lǜ)除脈沖噪聲(".但是在(zài)實(shí)際(jì)應用(yòng)時,信号(hào)需(xū)要經過(guò)三級(jí)濾波,存(cún)在計算(suàn)量大、實(shí)時性較差的問(wèn)題.
3電容式渦街流量(liàng)計研制的(de)關鍵技術(shù)
　　綜合(hé)國内外研究(jiū)狀(zhuàng)況,渦街流量計(jì)研究的(de)發展的關鍵技術(shù)主要(yào)集中(zhōng)在以(yǐ)下方(fāng)面..
3.1傳感器設計(jì)
　　設計更加傳感(gǎn)器.探頭電(diàn)容極闆的(de)基(jī)體在高(gāo)溫下成型(xíng).增強(qiáng)抗高(gāo)溫(wēn)特性,使(shǐ)核心部件的内部結(jié)構可靠性(xìng)更高(gāo).采用現代(dài)流場分析技術(shù).對傳感器的(de)具(jù)體結構以(yǐ)及安(ān)裝位置(zhì)進一步(bù)改進,增強抗振(zhèn)性能(néng),可以消除(chú)各個(gè)方向的振(zhèn)動幹擾(rǎo),穩定漩渦,使渦街流量(liàng)計在(zài)小流量情(qíng)況(kuàng)下(xià)的(de)抗幹擾(rǎo)能力更強(qiáng),時(shí)域(yù)波形毛刺更少(shǎo),頻城波形更加穩定(dìng).通頻帶能自動跟蹤(zōng),無須(xū)電位器或(huò)撥動開關調(diào)整(zhěng)頻帶(dài)和靈(líng)敏度,無零(líng)漂移(yí),量程(chéng)自由設定(dìng)，真正實現(xiàn)現場免(miǎn)調試.
3.2現場總線設計
　　采用全數字化現場總線(xiàn)的(de)智能(néng)渦(wō)街流量計.目(mù)前,現場總線技術是智(zhì)能儀表(biǎo)的研究(jiū)熱點.可(kě)以考(kǎo)慮(lǜ)實際需(xū)求,增(zēng)加hart總(zǒng)線硬(yìng)件接口,該模塊(kuài)采用抗幹擾能(néng)力強,通信速率高,傳送(sòng)數(shù)據精(jīng)度高的電路來(lái)完成(chéng)數據傳送(sòng),它既有rs.485總(zǒng)線通(tōng)信的抗(kàng)幹(gàn)擾能(néng)力強(qiáng)的特(tè)點,又具有(yǒu)輸出信号(hào)爲二(èr)線(xiàn)制(zhì)4~20ma的工(gōng)業标(biāo)準,依(yī)照相應的(de)通(tōng)訊協議,完成hart協議數據(jù)鏈路(lù)層(céng)和應用(yòng)層的軟件設計,實現hart總線通信(xìn)功能.
3.3數(shù)字信号(hào)處理方法的設(shè)計
　　應(yīng)用更加數(shù)字信号處理方(fāng)法,能更好(hǎo)地解(jiě)決幹擾問(wèn)題,提(tí)高流量(liàng)測(cè)量精(jīng)度,進(jìn)一-步提高(gāo)分辨率.幹擾信(xìn)号與渦街(jiē)信号(hào)在同(tóng)一(yī)頻段的(de)情況已有研究,當兩(liǎng)種信(xìn)号的(de)頻率在同(tóng)一頻(pín)段且頻率非常(cháng)靠近時,研(yán)究如(rú)何分(fèn)辨(biàn)這兩種(zhǒng)信(xìn)号,及如(rú)何消(xiāo)除噪(zào)聲(shēng)信(xìn)号的(de)頻譜對渦街信号頻(pín)譜(pǔ)的幹涉(shè)等.研究信号的(de)分析方(fāng)法時,若(ruò)所選用幅頻特性的過渡帶不(bú)夠陡,則使(shǐ)得它分頻(pín)特(tè)性(xìng)不好(hǎo),會造成(chéng)頻率分(fèn)辨率(lǜ)不夠高.同(tóng)時，靠近(jìn)渦(wō)街頻率的(de)諧(xié)波不易(yì)濾幹淨,将會影(yǐng)響測(cè)量精度,因(yīn)此還需(xū)要研究函數的(de)選取、分(fèn)級,濾波器的幅(fú)頻特(tè)性和中心(xīn)頻率的調整采(cǎi)樣頻率和采樣(yàng)點數如何确定(dìng),以及在軟(ruǎn)件編(biān)程中如何(hé)優化算(suàn)法,使計算量(liàng)少、内存(cún)占用量少和運算(suàn)誤差(chà)小,以保證體積小.實時(shí)性好和(hé)計算精度(dù)高等(děng)問題(tí).研究強幹擾噪聲是(shì)以建(jiàn)立某(mǒu)種(zhǒng)噪聲的(de)模闆爲基礎,考慮建立--種通用(yòng)的模(mó)闆(pǎn),真(zhēn)正解決強(qiáng)幹(gàn)擾(rǎo)下渦街信(xìn)号(hào)和噪聲的判别(bié)、分(fèn)離及(jí)提(tí)取(qǔ)問題,在傳(chuán)感器條件一定(dìng)的情況下,考慮(lǜ)利用(yòng)信号處理(lǐ)技術(shù)擴大量程(chéng)比(bǐ),提(tí)高(gāo)小流量(liàng)測量精度,全面.深入(rù)地研(yán)究流(liú)場噪聲以及它(tā)們對(duì)渦街信号影響等(děng).
4結(jié)語
　　渦(wō)街流量計在流(liú)量測(cè)量中(zhōng)應用(yòng)非常(cháng)廣泛,電容(róng)式渦街流量計(jì)具(jù)有(yǒu)抗振性好(hǎo)、溫度适應(yīng)能(néng)力強.通用性好等(děng)特點.通過(guò)對電容式渦街流量(liàng)計(jì)測量原理和(hé)系統組成(chéng)的理(lǐ)解.信(xìn)号處理方(fāng)法的比較(jiào)及對該流(liú)量計研制(zhì)的關(guān)鍵技術問(wèn)題的(de)分析,可以對電容式(shì)渦街流量計有很清楚的(de)認識,有助(zhù)于對渦街流量(liàng)計的設計與研(yán)究.

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