E+H渦街流量傳感器信號處理方法研究

e+h渦街流量計是20世紀60年代末期發(fā)展起來的基于卡門渦街效應(yīng)原理的流量測量儀表。傳感器內(nèi)部無活動部件，使用壽命長，標定精度較高，量程比寬，壓力損失小，運行可靠，維護方便。近30多年的工業(yè)應(yīng)用也證明渦街流量計在穩(wěn)定流體計量中的可靠性和性。

    卡門渦街效應(yīng)即在流體中放置一個外形為外流線型對稱的阻流體，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，阻流體的下游側(cè)會產(chǎn)生兩列不對稱的且有規(guī)律的漩渦，如圖1所示[1-3]。

    實驗表明，渦流漩渦的頻率fi與流體的平均流速Q(mào)成線性關(guān)系

       （1）

    式（1）中，K為儀表系數(shù)，表示為

圖1　卡門漩渦示意圖

  （2）

    式（2）中，St為斯特羅哈爾數(shù)，d為阻流體特征尺寸，D為管道內(nèi)徑。

    當雷諾數(shù)在3×10⁴～3×10⁶范圍時，儀表系數(shù)K可近似為常數(shù)，因此，僅需檢測fi即可得到流體的流量。

    目前渦E+H街流量計傳感器中一般采用壓電敏感元件將流體的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，并利用比較器、數(shù)字信號處理方法等手段實現(xiàn)渦街頻率信號的檢測，進而實現(xiàn)流量計算。目前的信號處理方法，在應(yīng)用中存在如下不足[4-7]：

    ①易受測量現(xiàn)場各種干擾的影響，實際測量精度低于實驗室標定精度。干擾主要為流場不穩(wěn)定，管道振動和電磁噪聲。

    ②量程比受限。理論上渦街流量計的量程比可以達到100：1，而目前實際上一般只達到10：1。因為小流量時，產(chǎn)生的信號十分微弱，易被噪聲淹沒。

    ③不同口徑的傳感器需要人工調(diào)整二次儀表的濾波和放大參數(shù)進行匹配，不能動態(tài)自動調(diào)節(jié)。針對渦街流量計應(yīng)用中存在的實際問題和需求，設(shè)計了一種增益和濾波參數(shù)均由程序自動控制的新型渦街流量計信號處理電路，提高信噪比和測量精度與穩(wěn)定性。

    1　系統(tǒng)實現(xiàn)

    1.1　信號特性分析

    圖2、圖3為Φ50mm口徑渦街流量計在0.1L/s流量時的原始信號和功率譜波形，圖4、圖5為該渦街流量計在3L/s流量時的原始信號和功率譜波形。可以看出，在小流量和大流量時，原始信號的幅度變化范圍較大，zui小量程和zui大量程信號幅度比約為1/100；小流量時信號中含有較多干擾，其幅值與信號幅值相近[8]。

圖2　流量為0.1L/s時，敏感元件輸出信號波形

圖3　流量為0.1L/s時，敏感元件輸出信號功率譜

圖4　流量為3L/s時，敏感元件輸出信號波形

    因此，e+h渦街流量計信號處理電路必須具備幅度增益調(diào)節(jié)和濾波能力，將小流量時的微弱信號放大并進行濾波處理，以滿足測量精度。

圖5　流量為3L/s時，敏感元件輸出信號功率譜

    1.2　硬件設(shè)計

    常用的信號處理電路依靠編碼開關(guān)人為調(diào)節(jié)信號放大倍數(shù)，一旦調(diào)節(jié)完畢，實際的測量中，信號幅度不能根據(jù)實際情況進行自動動態(tài)調(diào)節(jié)。濾波電路同樣依靠編碼開關(guān)調(diào)節(jié)濾波電容參數(shù)，不能動態(tài)跟蹤信號的中心頻率。為此，設(shè)計了以DSP為運算核心，輔助變增益運算放大器的新型渦街流量計信號處理系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　硬件結(jié)構(gòu)示意圖

    圖6中，壓電傳感器采用常規(guī)的壓電敏感元件，電荷放大器由高輸入阻抗運放LF411和電阻電容構(gòu)成，均屬常規(guī)電路，原理在文中不進行詳細說明。下面著重介紹變增益放大器和開關(guān)電容濾波器電路。

    變增益放大電路以線性增益控制芯片AD603為核心，在控制電平的作用下，增益調(diào)整范圍為-11dB～+31dB。圖7為典型的AD603增益曲線。

圖7　AD603的增益曲線示意圖

    由前面分析知，原始信號zui小幅值與zui大幅值比約為1/100，相差-40dB。AD603的線性增益控制zui大為40dB，*設(shè)計要求。系統(tǒng)以DSP（TMS320F2812）為運算核心，負責(zé)模擬信號采集、FIR數(shù)字濾波、信號幅度檢測、變增益放大電路控制、LCD液晶顯示、鍵盤控制以及RS485通訊。

    1.3　軟件設(shè)計

    DSP處理軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序負責(zé)信號頻率的計算、流量的解算和溫度補償、測量結(jié)果顯示、鍵盤處理以及RS485通訊；中斷服務(wù)程序完成信號的AD轉(zhuǎn)換、信號FIR濾波處理、信號幅度檢測以及根據(jù)幅度結(jié)果實時調(diào)節(jié)變增益放大器的調(diào)節(jié)電壓和溫度測量。其中，F(xiàn)IR濾波程序主要是針對原始信號中幅度較強的噪聲進行初步抑制，實現(xiàn)渦街流量計在復(fù)雜工況情況下，也能解算流體流量。程序流程見圖8[9-12]。

圖8　軟件流程圖

    2　實驗研究

    2.1　模擬實驗

    ①針對信號特性，利用Matlab設(shè)計仿真波形；

    ②采用NI2DAQ6110E數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將Mat-lab仿真波形輸出至硬件系統(tǒng)；

    ③利用DSP采集數(shù)據(jù)并分析，將原始AD采集數(shù)據(jù)和FIR濾波后數(shù)據(jù)進行存儲；

    ④利用Matlab分析采集結(jié)果；

    ⑤利用DSP計算信號頻率得到相對誤差。

    2.2　模擬實驗結(jié)果

    圖9所示為Matlab仿真0.1L/s時原始信號波形及功率譜圖（輸出信號頻率為1Hz，幅度為30mV），圖10為對應(yīng)的經(jīng)變增益放大器和開關(guān)電容濾波器以及抗混疊濾波器的輸出波形和功率譜圖。圖11所示為Matlab仿真3L/s時原始信號波形及功率譜圖（輸出信號頻率為35Hz，幅度為3V），圖12為對應(yīng)的經(jīng)變增益放大器和開關(guān)電容濾波器以及抗混疊濾波器的輸出波形和功率譜圖。

圖9　仿真輸出0.1L/s時原始信號波形及功率譜圖

圖10　系統(tǒng)采集0.1L/s處理后的信號波形及功率譜圖

圖11　仿真輸出3L/s時原始信號波形及功率譜圖

圖12　系統(tǒng)采集3L/s處理后的信號波形及功率譜圖

    由圖10和圖12可以看出，利用變增益放大器和DSP軟件處理后的信號幅度基本穩(wěn)定，各種干擾信息也得到了較好的抑制。

    表1為DSP計算頻率的結(jié)果，測量相對誤差均在±0.2%以內(nèi)。

    2.3　流量實驗

    圖13為利用實驗室鼓風(fēng)機提供氣體流量，Φ50mm渦街流量傳感器輸出的原始信號波形圖。圖14為圖13的原始信號經(jīng)DSP濾波處理后的時域波形圖。圖15為圖13的原始信號由DSP進行FFT轉(zhuǎn)換的頻譜圖。圖16為圖13的原始信號經(jīng)DSP濾波處理后的頻域波形圖。圖13～圖16均為DSP調(diào)試軟件繪制。

    由圖13～圖16可以對比看出，針對實際流量信號，該系統(tǒng)仍可以有效抑制噪聲干擾。

圖13　系統(tǒng)采集原始信號波形

圖14　系統(tǒng)采集的原始信號經(jīng)FIR濾波后的波形

圖15　系統(tǒng)采集原始信號的頻譜圖

圖16　系統(tǒng)采集原始信號FIR濾波后的頻譜圖

        基于實際渦街流量計信號特征，設(shè)計了變增益運算放大器和DSP信號處理電路的新型渦街流量計信號處理系統(tǒng)。實驗結(jié)果證明：傳感器經(jīng)放大濾波后的信號幅度基本穩(wěn)定，DSP濾波效果較好，頻率計算精度較高，達到了±0.2%。目前系統(tǒng)只針對模擬信號和實際流量信號進行了測量，未在部門進行流量精度標定，在下一階段工作中將進行流量標定實驗，進一步驗證系統(tǒng)的可行性及測量精度。