摘要:比較了渦街流量計(jì)的測量方法,選用了具有靈敏度高、耐熱性強(qiáng)抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的電容式渦街流量計(jì),介紹了其測量原理與系統(tǒng)組成.通過科學(xué)的理論推導(dǎo),獲得渦街力、偏轉(zhuǎn)角與電容的關(guān)系,并將電容式渦街流量測量信號(hào)處理方法進(jìn)行分析和比較.最后闡述了電容式渦街流量計(jì)研制的技術(shù)關(guān)鍵.
渦街流量計(jì)具有精度高、量程比較寬、線性度較好且適用各種介質(zhì)等一系列的優(yōu)點(diǎn),在計(jì)量檢測中發(fā)揮越來越大的作用,有著廣泛的應(yīng)用前景,因此對渦街流量計(jì)的研究具有重要的意義.
渦街流量傳感器按檢測方式主要有熱敏式、應(yīng)力式、電容式等.熱敏式渦街傳感器靈敏度高,適宜低溫、低密度的氣體測量,但易受流體中污物的影響或損壞.應(yīng)力式渦街傳感器具有響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工藝性好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn),但抗震性相對較差,信噪比較低,，在低密度、低流速環(huán)境振動(dòng)大的場合不宜使用電容式渦街流量計(jì)與其他渦街流量計(jì)相比,具有靈敏度高、耐熱性強(qiáng)、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.
1電容式渦街流量測量原理與系統(tǒng)組成
渦街流量計(jì)是利用流體振蕩原理來測量流量或流速.在流體中放置一個(gè)具有均勻斷面形狀的擋體，在擋體的兩側(cè)會(huì)交替產(chǎn)生一種有規(guī)律的漩渦,并向下游流去,非對稱地形成二列漩渦列,即卡門渦街.利用這種漩渦產(chǎn)生的規(guī)律,根據(jù)漩渦產(chǎn)生的頻率ƒ,通過
其中,ʋ表示流體流速;d表示漩渦發(fā)生體特征寬度;m表示漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比;Q表示體積流量;D表示管道內(nèi)徑;k表示流量計(jì)儀表系數(shù).斯特哈爾數(shù)為無量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，在雷諾數(shù)的范圍為2x104~7X106時(shí),s;可視為常數(shù),即儀表正常工作范圍.
電容式渦街傳感器的檢測元件是一-根剛性空心圓桿,當(dāng)渦街作用在圓桿底部時(shí),剛性圓桿會(huì)繞著固定點(diǎn)偏轉(zhuǎn).圓桿.上部作為電容的-一個(gè)極板,，與另外兩個(gè)電極組成差動(dòng)電容,差動(dòng)電容值會(huì)隨圓桿擺動(dòng)而改變,其規(guī)律為與渦街發(fā)生同頻率的周期性變化.轉(zhuǎn)換器檢測電容的變化,并轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),該脈沖頻率就是渦街的發(fā)生頻率,與流量大小成正比.轉(zhuǎn)換器最終輸出流量大小為4~20mA模擬信號(hào)或通過HART現(xiàn)場總線輸出數(shù)字信號(hào).電容傳感器如圖1所示，.
渦街力與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體遵循牛頓轉(zhuǎn)動(dòng)定律得出,通過必要的理論推導(dǎo),獲得渦街力、偏轉(zhuǎn)角與電容的關(guān)系為
其中，T表示物體所受到的力矩;J表示物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ表示角位移;C表示粘性摩擦系數(shù).
渦街力與流速之間的關(guān)系為
其中，F(xiàn)表示渦街產(chǎn)生的交替推力，T=F*R;CL表示無量綱系數(shù);ʋ表示流體的流速;Q表示流體的密度;D表示管道內(nèi)徑;d表示漩渦發(fā)生體迎流面寬度.
最后偏轉(zhuǎn)角與電容的關(guān)系為
其中,△C表示差動(dòng)電容;Ɛ表示電容介質(zhì)系數(shù);b表示極板寬度;δ表示兩極板的間距.
電容式渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成.傳感器包括漩渦發(fā)生體(阻流體)檢測元件、儀表表體等;轉(zhuǎn)換器包括電荷檢測電路、濾波整形電路、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、顯示通信電路、端子、支架和防護(hù)罩等.
2電容式渦街流量測量計(jì)信號(hào)處理方法比較
渦街流量信號(hào)由兩部分組成:--是由流速產(chǎn)生的正弦渦街信號(hào),1二是干擾引起的噪聲信號(hào),因此渦街信號(hào)遠(yuǎn)非理想的正弦波信號(hào),而是一個(gè)混有強(qiáng)噪聲的混合信號(hào).現(xiàn)在，已經(jīng)提出了很多種處理渦街信號(hào)的方法,用來提取流量信號(hào)的頻率.
2.1譜分析信號(hào)處理方法
建立噪聲模板和信號(hào)模板的基礎(chǔ)上,用譜分析方法消除渦街流量計(jì)中的強(qiáng)噪聲是近年來研究熱點(diǎn)之一,利用該方法解決強(qiáng)干擾條件下渦街流量計(jì)測量問題.首先將頻率測量范圍分段,在不同頻段建立噪聲模板,然后用混合信號(hào)的功率譜與噪聲模板,提取噪聲,再利用插值法消除噪聲,最后對消除噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,計(jì)算出頻率，利用頻譜校正法提高計(jì)算精度[31.但是,噪聲情況各種各樣.不易獲得噪聲的所有模板.經(jīng)典譜分析算法對正態(tài)分布的白噪聲有很好的抑制作用，方法直觀,容易編程實(shí)現(xiàn).但在非整周期采樣時(shí)誤差較大,需要進(jìn)行頻譜校正.而現(xiàn)代譜分析方法更適合短序列的譜分析,對噪聲抑制能力強(qiáng),精度高,但建模階數(shù)對功率譜計(jì)算的結(jié)果有影響,有時(shí)還存在譜線分裂現(xiàn)象.
2.2自適應(yīng)濾波信號(hào)處理方法
采用基于最小均方自適應(yīng)算法的現(xiàn)代譜分析處理流量信號(hào).自適應(yīng)濾波方法采用十抽一濾波器和高低通濾波器.自適應(yīng)陷波針對不同頻率的信號(hào)建立不同參數(shù)的模型,在非整周期采樣、諧波和噪聲千擾情況下頻率測量都能達(dá)到較好的精度,其不足之處是采樣點(diǎn)數(shù)多,計(jì)算時(shí)間長,實(shí)時(shí)性差.如果流量信號(hào)發(fā)生突變,而采樣頻率沒有及時(shí)跟蹤,會(huì)造成較大的測量誤差.由漩渦發(fā)生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機(jī)構(gòu)成測量系統(tǒng),驗(yàn)證了譜分析方法用于渦街流量計(jì)信號(hào)處理的可行性,但是,這種方法對諧波干擾的抑制能力較差.
2.3熵譜法信號(hào)處理方法
對周期圖譜分析和基于Burg的現(xiàn)代譜分析方法一最大熵譜法,用于渦街流量計(jì)的信號(hào)處理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)周期圖譜分析方法對長序列的計(jì)算精度高,對諧波的抑制能力強(qiáng),處理非過零采樣的數(shù)據(jù)時(shí),計(jì)算精度不受影響,基于Burg算法的譜分析方法,先建立自回歸模型,再計(jì)算功率譜'51.采用Burg算法,以正反向線性預(yù)測誤差能量的平方和最小為準(zhǔn)則,來估計(jì)自回歸模型的系數(shù),特別易于短序列的譜分析,分辨率較高.進(jìn)行仿真后,發(fā)現(xiàn)Burg算法抑制隨機(jī)噪聲能力強(qiáng),但抑制確定性噪聲,如渦街產(chǎn)生的低頻擺動(dòng)噪聲的能力比周期圖法差.
2.4DSP軟硬件結(jié)合信號(hào)處理方法
采用DSP芯片將周期圖譜分析法和數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用于渦街流量計(jì)的信號(hào)處理,研制了硬、軟件系統(tǒng)計(jì)算流量信號(hào)的頻率,取得了不錯(cuò)的效果.但是,采用DSP芯片,首先是價(jià)格較高,其次在市電供給困難的場合,如野外、井下、長期無人值守的環(huán)境下,就不能采用DSP芯片作為處理器了,因?yàn)楝F(xiàn)有的DSP芯片功耗至少有幾十毫安.基于FFT的經(jīng)典譜分析方法,直接用傅立葉變換對有限時(shí)間序列計(jì)算功率譜，求取信號(hào)頻率.該方法能有效抑制諧波干擾,但在非整周期采樣時(shí),有較大的泄漏誤差,必須利用頻譜校正方法來提高測量精度.
2.5小波變換信號(hào)處理方法
小波變換可以作為--組帶通濾波器,用來對渦街傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波,去除噪聲,以便正確提取頻率信息.利用小波變換的低通和帶通濾波特性,可以把原始信號(hào)中的不同頻率的信號(hào)成分分離出來16].小波變換可看成是--組帶通濾波器,具有低頻處分辨率高、高頻處分辨率低的特點(diǎn),但功耗和實(shí)時(shí)性需要進(jìn)一步探討.
2.6數(shù)字濾波器信號(hào)處理方法
數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法很多,最通用的方法是利用已經(jīng)很成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法,如Butteworh濾波器、Chebyshev濾波器、橢圓濾波器等.采用Buttenworth濾波、低通濾波、中位數(shù)濾波相結(jié)合的濾波方法對原始的渦街信號(hào)進(jìn)行處理,該方法能滿足低通濾波要求,通過合理選擇窗口長度可以有效濾除脈沖噪聲(".但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí),信號(hào)需要經(jīng)過三級濾波,存在計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性較差的問題.
3電容式渦街流量計(jì)研制的關(guān)鍵技術(shù)
綜合國內(nèi)外研究狀況,渦街流量計(jì)研究的發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下方面..
3.1傳感器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)更加傳感器.探頭電容極板的基體在高溫下成型.增強(qiáng)抗高溫特性,使核心部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性更高.采用現(xiàn)代流場分析技術(shù).對傳感器的具體結(jié)構(gòu)以及安裝位置進(jìn)一步改進(jìn),增強(qiáng)抗振性能,可以消除各個(gè)方向的振動(dòng)干擾,穩(wěn)定漩渦,使渦街流量計(jì)在小流量情況下的抗干擾能力更強(qiáng),時(shí)域波形毛刺更少,頻城波形更加穩(wěn)定.通頻帶能自動(dòng)跟蹤,無須電位器或撥動(dòng)開關(guān)調(diào)整頻帶和靈敏度,無零漂移,量程自由設(shè)定，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場免調(diào)試.
3.2現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)
采用全數(shù)字化現(xiàn)場總線的智能渦街流量計(jì).目前,現(xiàn)場總線技術(shù)是智能儀表的研究熱點(diǎn).可以考慮實(shí)際需求,增加HART總線硬件接口,該模塊采用抗干擾能力強(qiáng),通信速率高,傳送數(shù)據(jù)精度高的電路來完成數(shù)據(jù)傳送,它既有RS.485總線通信的抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),又具有輸出信號(hào)為二線制4~20mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),依照相應(yīng)的通訊協(xié)議,完成HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)HART總線通信功能.
3.3數(shù)字信號(hào)處理方法的設(shè)計(jì)
應(yīng)用更加數(shù)字信號(hào)處理方法,能更好地解決干擾問題,提高流量測量精度,進(jìn)一-步提高分辨率.干擾信號(hào)與渦街信號(hào)在同一頻段的情況已有研究,當(dāng)兩種信號(hào)的頻率在同一頻段且頻率非常靠近時(shí),研究如何分辨這兩種信號(hào),及如何消除噪聲信號(hào)的頻譜對渦街信號(hào)頻譜的干涉等.研究信號(hào)的分析方法時(shí),若所選用幅頻特性的過渡帶不夠陡,則使得它分頻特性不好,會(huì)造成頻率分辨率不夠高.同時(shí)，靠近渦街頻率的諧波不易濾干凈,將會(huì)影響測量精度,因此還需要研究函數(shù)的選取、分級,濾波器的幅頻特性和中心頻率的調(diào)整采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)如何確定,以及在軟件編程中如何優(yōu)化算法,使計(jì)算量少、內(nèi)存占用量少和運(yùn)算誤差小,以保證體積小.實(shí)時(shí)性好和計(jì)算精度高等問題.研究強(qiáng)干擾噪聲是以建立某種噪聲的模板為基礎(chǔ),考慮建立--種通用的模板,真正解決強(qiáng)干擾下渦街信號(hào)和噪聲的判別、分離及提取問題,在傳感器條件一定的情況下,考慮利用信號(hào)處理技術(shù)擴(kuò)大量程比,提高小流量測量精度,全面.深入地研究流場噪聲以及它們對渦街信號(hào)影響等.
4結(jié)語
渦街流量計(jì)在流量測量中應(yīng)用非常廣泛,電容式渦街流量計(jì)具有抗振性好、溫度適應(yīng)能力強(qiáng).通用性好等特點(diǎn).通過對電容式渦街流量計(jì)測量原理和系統(tǒng)組成的理解.信號(hào)處理方法的比較及對該流量計(jì)研制的關(guān)鍵技術(shù)問題的分析,可以對電容式渦街流量計(jì)有很清楚的認(rèn)識(shí),有助于對渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與研究.
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