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年代末期發展起來的基于卡門渦街效應原理的流量測量儀表。傳感器內部無活動部件，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多年的工業應用也證明渦街流量計在穩定流體計量中的可靠性和性。

    卡門渦街效應即在流體中放置一個外形為外流線型對稱的阻流體，在一定的雷諾數范圍內，阻流體的下游側會產生兩列不對稱的且有規律的漩渦，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成線性關系

       （1）

    式（1）中，K為儀表系數，表示為

圖1　卡門漩渦示意圖

  （2）

    式（2）中，St為斯特羅哈爾數，d為阻流體特征尺寸，D為管道內徑。

    當雷諾數在3×10⁴～3×10⁶范圍時，儀表系數K可近似為常數，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化為電信號，并利用比較器、數字信號處理方法等手段實現渦街頻率信號的檢測，進而實現流量計算。目前的信號處理方法，在應用中存在如下不足[4-7]：

    ①易受測量現場各種干擾的影響，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整二次儀表的濾波和放大參數進行匹配，不能動態自動調節。針對渦街流量計應用中存在的實際問題和需求，設計了一種增益和濾波參數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定性。

    1　系統實現

    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節和濾波能力，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　硬件設計

    常用的信號處理電路依靠編碼開關人為調節信號放大倍數，一旦調節完畢，實際的測量中，信號幅度不能根據實際情況進行自動動態調節。濾波電路同樣依靠編碼開關調節濾波電容參數，不能動態跟蹤信號的中心頻率。為此，設計了以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，如圖6所示。

圖6　硬件結構示意圖

    圖6中，壓電傳感器采用常規的壓電敏感元件，電荷放大器由高輸入阻抗運放LF411和電阻電容構成，均屬常規電路，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，*設計要求。系統以DSP（TMS320F2812）為運算核心，負責模擬信號采集、FIR數字濾波、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　軟件設計

    DSP處理軟件主要由主程序和中斷服務程序構成。主程序負責信號頻率的計算、流量的解算和溫度補償、測量結果顯示、鍵盤處理以及RS485通訊；中斷服務程序完成信號的AD轉換、信號FIR濾波處理、信號幅度檢測以及根據幅度結果實時調節變增益放大器的調節電壓和溫度測量。其中，FIR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，實現渦街流量計在復雜工況情況下，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設計仿真波形；

    ②采用NI2DAQ6110E數據采集系統將Mat-lab仿真波形輸出至硬件系統；

    ③利用DSP采集數據并分析，將原始AD采集數據和FIR濾波后數據進行存儲；

    ④利用Matlab分析采集結果；

    ⑤利用DSP計算信號頻率得到相對誤差。

    2.2　模擬實驗結果

    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為對應的經變增益放大器和開關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為對應的經變增益放大器和開關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計算頻率的結果，測量相對誤差均在±0.2%以內。

    2.3　流量實驗

    圖13為利用實驗室鼓風機提供氣體流量，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轉換的頻譜圖。圖16為圖13的原始信號經DSP濾波處理后的頻域波形圖。圖13～圖16均為DSP調試軟件繪制。

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

圖13　系統采集原始信號波形

圖14　系統采集的原始信號經FIR濾波后的波形

圖15　系統采集原始信號的頻譜圖

圖16　系統采集原始信號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。實驗結果證明：傳感器經放大濾波后的信號幅度基本穩定，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，進一步驗證系統的可行性及測量精度。