渦街(jiē)流量計 是(shì)上世紀60年代(dài)末(mò)期發展起(qǐ)來的(de)一種(zhǒng)振(zhèn)動頻率與流速成正比(bǐ)的流量計(jì)。針對(duì)渦街流量計在(zài)低流速時(shí)幅值小而高流(liú)速幅值大(dà),且低流速(sù)信噪比低(dī)而高流速(sù)信(xìn)噪比高(gāo)的特點(diǎn)，設計了(le)一套雙通道渦(wō)街流量計(jì)信号(hào)處理方法，通過(guò)測量通道(dào)與監(jiān)測通道的配合(hé)工作(zuò),提(tí)升(shēng)了低流速的測量性能,擴大(dà)了渦街流量(liàng)計測量(liàng)量(liàng)程。
　　理論上(shàng),渦街流量(liàng)計的測量(liàng)量程(chéng)比可(kě)達幾(jǐ)百比(bǐ)一-1,但由于(yú)渦街流量計在測量低流(liú)速時(shí)産生的旋渦壓(yā)力小(xiǎo)，初始信号(hào)較微(wēi)弱,同(tóng)時受(shòu)現場複雜工(gōng)況(kuàng)的影響,在進行低流(liú)速測量時(shí)不能有效進行(háng)濾(lǜ)波,容易(yì)被噪(zào)聲淹沒。目前國(guó)内的渦街流量(liàng)計産品(pǐn)量(liàng)程比(bǐ)多爲10:1到15:1。
　　本文以(yǐ)壓電式(shì)渦(wō)街流(liú)量計(jì)爲基礎，根(gēn)據渦街(jiē)流(liú)量計(jì)信号與(yǔ)噪聲的(de)特點,通(tōng)過(guò)改進(jìn)前置(zhì)放(fàng)大電路(lù)和濾(lǜ)波處(chù)理電(diàn)路，設計了雙通(tōng)道渦街(jiē)流(liú)量計信号(hào)處理系統，從而實現(xiàn)整個(gè)工作(zuò)頻段的流(liú)量測量,達到提(tí)高測(cè)量量程比(bǐ)的目的(de)。
1渦街流量計(jì)的(de)信号特(tè)點
　　渦街流量計的振動頻(pín)率與(yǔ)流速(流量)之間的關系(3):
f=(st×v)/d(1)
　　式(shì)中:st爲(wèi)斯特勞哈爾數(shù);f爲輸(shū)出頻率;v爲(wèi)流體(tǐ)流速;d爲旋(xuán)渦發生體(tǐ)寬度(dù)。
　　工程中常(cháng)用下式進(jìn)行流體流(liú)量測量(4:
qv=3600×tf/k(2)
　　式中:qv爲(wèi)體積流(liú)量;k爲儀(yí)表系(xì)數。
2雙(shuāng)通道(dào)渦街(jiē)流量(liàng)計信号處理(lǐ)方(fāng)法分(fèn)析
2.1測量通道信(xìn)号處理方法分(fèn)析
　　本設計采用(yòng)由具有1/f²衰減(-40db/dec)特(tè)性的低頻濾波(bō)器和(hé)二(èr)階(jiē)高通濾波器(qì)(40db/dec)組(zǔ)成的(de)帶通濾(lǜ)波器來(lái)對原(yuán)始(shǐ)信号的幅(fú)頻(pín)特性進行(háng)處理(lǐ)。該(gāi)濾波器(qì)的幅頻特(tè)性爲:
 
　　在低頻(pín)段，渦街(jiē)信号經過(guò)相同(tóng)轉(zhuǎn)折頻率的低(dī)通濾波器(qì)，輸出幅值爲常數;在(zài)高頻段(duàn),低通濾(lǜ)波器轉折頻率(lǜ)後(hòu)移，使低通濾(lǜ)波器基本放開(kāi)。圖1爲50mm口徑(jìng)管道液體的頻率段(duàn)劃分(fèn)示意(yì)圖。此(cǐ)四頻段信号處(chù)理方法構成的(de)“測量通道”是整個渦街信号處理體(tǐ)系的主體(tǐ)通道。
 
2.2監測(cè)通道(dào)信号(hào)處理方法(fǎ)分析
　　爲(wèi)監(jiān)測信(xìn)号由(yóu)低頻突變(biàn)爲高頻時(shí)的狀況(kuàng)，本文設計了(le)一個由轉折頻(pín)率爲fl=fmax/2=70hz的一(yī)階低(dī)通濾波(bō)器與轉(zhuǎn)折頻率爲(wèi)fh=8*fmin=16hz的一(yī)階高(gāo)通濾(lǜ)波器(qì)組成的帶通濾(lǜ)波器作爲(wèi)“監測(cè)通道(dào)”。圖2爲“監測通道(dào)”的幅(fú)頻曲線示(shì)意圖(tú)。
 
3渦街(jiē)流量計信号處(chù)理硬(yìng)件設計
　　硬(yìng)件系統主要包(bāo)括前置放大電(diàn)路、可控增益調(diào)整電(diàn)路、測(cè)量通(tōng)道以及監測通(tōng)道單(dān)元(yuán)。各部分電路之間(jiān)相互(hù)協調完成整個(gè)硬件(jiàn)系統的信(xìn)号處(chù)理(lǐ)。
3.1前(qián)置放(fàng)大電(diàn)路
　　本文采(cǎi)用儀表(biǎo)放(fàng)大器(qì)ina118作爲前置(zhì)放大(dà)電路(lù)，以此(cǐ)完成(chéng)壓電傳感(gǎn)器的輸入信(xìn)号(hào)放大(dà)轉換。如圖(tú)3,ina118采用單電(diàn)源供電,ref爲(wèi)信号地(dì)的(de)參考(kǎo)電平(píng),爲+v∞/2。
 
3.2可控增(zēng)益調整(zhěng)電(diàn)路
　　可(kě)控增(zēng)益調整電(diàn)路由(yóu)一個(gè)階高(gāo)通濾波電路(lù)和(hé)一個可調(diào)增益(yì)的同(tóng)相放大器(qì)組成(chéng)。以此(cǐ)來配合測量通道,發(fā)揮儀表的(de)寬量程優勢，完成回(huí)路的閉環(huán)自動(dòng)增益調整。如圖(tú)4,u5爲256抽(chōu)頭(tóu)100kq2數(shù)字電位器(qì),c43.,c40.,c39電容通過(guò)模拟開關(guān)選通不同的組合，形(xíng)成具有隔(gé)直和(hé)分頻(pín)段濾波作(zuò)用的轉折(shé)頻率可控(kòng)的(de)一階高(gāo)通濾波器(qì)。同相放大器的放大(dà)倍數爲1+rp0/r5。
 
3.3測(cè)量通(tōng)道
　　測(cè)量通道(dào)是(shì)整個硬件(jiàn)系統(tǒng)的核心部分，包括數(shù)控帶(dài)通濾波器(qì)和硬件脈(mò)沖整形電路，以此完成(chéng)信号的濾波處(chù)理和脈(mò)沖整(zhěng)形任務。數(shù)控帶通(tōng)濾波器(qì)由兩(liǎng)個(gè)具有相(xiàng)同的轉折頻率的一階低通濾(lǜ)波器和一個二(èr)階高通濾(lǜ)波器(qì)組成(chéng)，如圖5所示(shì)。
 
　　硬件脈沖(chòng)整形(xíng)電路如(rú)圖(tú)6所示,爲一(yī)個施密特(tè)觸(chù)發器,對(duì)經過(guò)濾波的信号進(jìn)行觸(chù)發整(zhěng)形，得到包含信(xìn)号頻(pín)率信(xìn)息(xī)的方波(bō)信号。施密特觸(chù)發器的高(gāo)低(dī)觸(chù)發阈值電(diàn)壓由(yóu)以下二(èr)式決定(dìng):
 
　　式中(zhōng)vh爲高觸發阈值;vl爲低(dī)觸發(fā)阈值;vch爲高電(diàn)平電壓(yā);vcl爲低(dī)電平電壓(yā);vref爲參考電(diàn)壓。在(zài)本設(shè)計中(zhōng)，電源(yuán)電(diàn)壓爲3.3v,單(dān)電源供電(diàn)，因此(cǐ)vch=3.3v,vcl=0v;信号參考(kǎo)點爲0~3.3v的中心點1.65v,所以(yǐ)vref=1.65v;施密(mì)特(tè)觸(chù)發阈(yù)值vh-vl=0.9v.
 
3.4監(jiān)測(cè)通道
　　如(rú)圖7爲監(jiān)測通道的濾波電(diàn)路。電(diàn)阻u21-p1和(hé)電容c2構成(chéng)一階低通(tōng)濾波(bō)，電阻u21-p0和電容c44構(gòu)成一階高通濾波。若(ruò)介質(zhì)爲液(yè)體,則模拟開關(guān)u25關斷(duàn);若介(jiè)質爲(wèi)氣體,則選(xuǎn)通模(mó)拟開(kāi)關(guān)。此處施密特觸(chù)發阈值(zhí)vh-vl=0.78v。
 
4實驗結果與分析
　　本(běn)設計(jì)在50mm口(kǒu)徑渦街(jiē)流量計(jì)實驗裝置上進行試驗。圖8所示(shì)爲信号流(liú)各測試點波形圖。圖(tú)8a上方的波(bō)形爲(wèi)前置放大後.輸(shū)出的(de)波形(tpo),壓電傳感器輸出的差分(fèn)信号(hào)經前(qián)置儀(yí)表放大器(qì)輸出轉換後，得到的(de)正弦信号(hào),但信(xìn)号(hào)信噪比(bǐ)相對(duì)較差;下方(fāng)的波(bō)形爲經過(guò)測量通道濾波輸出之(zhī)後(hòu)的波(bō)形(tp1),經過濾(lǜ)波去(qù)噪放大處(chù)理,得到的高信噪比(bǐ)信号。圖(tú)8b下方波(bō)形即是經過測量通道(dào)濾(lǜ)波輸(shū)出之(zhī)後的波形(xíng)(tp1);上(shàng)方波形爲經(jīng)過軟(ruǎn)件脈沖整形之後(hòu)輸(shū)出的(de)方波(bō)信(xìn)号(tp4),對于(yú)峰峰(fēng)值大(dà)于設(shè)定阈值(zhí)的模拟(nǐ)信号(hào)，軟件脈(mò)沖(chòng)整形(xíng)都能(néng)正确(què)輸出方波。圖8c.上(shàng)方波(bō)形即爲經(jīng)過軟(ruǎn)件脈(mò)沖整形之(zhī)後輸出的(de)方波信号(tp4),因爲(wèi)有存(cún)在小于脈(mò)沖整形(xíng)阈(yù)值的(de)信号，緻(zhì)使輸出(chū)方波(bō)存在缺波(bō)現象;下方(fāng)波形爲經過功率最(zuì)大頻(pín)率點周期(qī)估(gū)計之後輸出(chū)的波(bō)形(tp5),通過軟(ruǎn)件濾波(bō)最大程(chéng)度的複原了真(zhēn)實的信号波形，保證(zhèng)了測量精(jīng)度。
 
　　在開發過(guò)程(chéng)中,渦街流量計(jì)的校準(zhǔn)檢定是(shì)必不(bú)可(kě)少的。通(tōng)過校準可(kě)以确(què)定渦街流量計(jì)的性能指(zhǐ)标，尋(xún)找影(yǐng)響(xiǎng)儀表特(tè)性的(de)各種因素,爲提高儀(yí)表性(xìng)能提供依據。本(běn)文對50mm口(kǒu)徑液體(tǐ)渦街流量計采(cǎi)用靜(jìng)态(tài)容(róng)積法(fǎ)進(jìn)行(háng)校準(zhǔn)檢定(dìng),其流(liú)量檢定範圍爲(wèi)1~50m³/h,流量(liàng)檢定(dìng)點分(fèn)别(bié)爲2%、10%、20%、40%.91%五點。具體檢定數據如表(biǎo)1所示(shì):
 
　　由計(jì)算得:儀表系數(shù):9.4179(次/l)線(xiàn)性度(dù):±2.56%
　　重複(fú)性:0.142%基(jī)本(běn)誤(wù)差:2.564%
　　國内渦(wō)街流(liú)量計(jì)在(zài)50mm口徑(jìng)時，對液(yè)體的測量範圍(wéi)一般爲3~50m³/h,本(běn)文所設計(jì)的渦(wō)街流(liú)量計信号處理(lǐ)方法(fǎ)的測量下(xià)限達到了(le)1.2m³/h左右，拓展了2.5倍左右(yòu)的測(cè)量下(xià)限,使量程範圍擴大(dà)了2.5倍。
　　由表(biǎo)1的液(yè)體檢(jiǎn)定數據可見，在對中高流速的測(cè)量下,即(jí)10~50m³/h範圍(wéi)内，檢(jiǎn)定的(de)儀表(biǎo)系數穩定(dìng)在9.2左右(yòu)，但在(zài)1.2m³/h低流速(sù)的情況下達到了9.6594,因此産生了(le)較大的線(xiàn)性(xìng)度和基(jī)本誤差。在(zài)1.2m³/h流速點(diǎn)時儀表系(xì)數.上升(shēng)明顯,但(dàn)是1.2m³/h流速(sù)下的3個測試點重複性較好(0.142%),而(ér)且通過示(shì)波器(qì)監視頻率(lǜ)輸出波形,看到脈沖輸出(chū)均勻(yún),沒有看(kàn)到誤捕捉脈(mò)沖的情況，因此(cǐ)考慮主要是由(yóu)于小(xiǎo)口徑(jìng)低流(liú)速下儀表(biǎo)系數(shù)本身(shēn)的非線性(xìng)造成的。通(tōng)過，上位機後期的軟(ruǎn)件非線性修正，完全(quán)可以得到(dào)線(xiàn)性度理(lǐ)想的儀表系數。

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