涡街频率检测电路的改进研究

　　0　引言

　　涡街流量计是通过检测卡门漩涡的频率,来计算流经管道的流体流量的。在目前广泛使用的涡街流量计中,应力式涡街流量计的应用较多,该类流量计信号处理部分大都由传统硬件电路实现。电路采用分立RC元件和运算放大器组成,这种方法成本低,响应速度快,实时性好^[1]。但由于电路参数固定,不同口径的一次仪表和测量不同流体要配不同的处理电路。

　　由于流量计使用现场复杂,各种干扰和不确定因素的存在,降低了涡街信号的信噪比,甚至有可能把涡街信号完全淹没^[2]。普通硬件电路很难处理强干扰问题,尤其在低流速时问题比较严重。同时,由于涡街频率信号范围很宽(如,1~25 000Hz)^[3],用一般的计数方法在宽范围内测量频率存在一定的误差,因此,研究现有涡街信号频率的硬件电路检测方法很有必要。

　　目前,针对涡街信号处理的研究很多,大多数都偏重涡街信号的数字处理算法,实际应用需要高性能的处理器才能实现^[2~6]。从硬件电路上改进涡街频率信号的检测方法的研究比较少见。文献[8]针对抗干扰问题在涡街信号前置放大器的研制做了研究,所采用方法是使用电阻、电容及放大器来构成模拟滤波器,滤波器阶数不能做得很高,精度难以提高。在脉冲频率测量方面,文献[9]研究了用计时加计频的方法来精确测量涡街频率信号,交接频率的计算增加了软件设计的难度。

　　在研究现有涡街信号检测电路的基础上,从改善硬件电路的抗干扰性和通用性出发,引入了自适应滤波和周期扩展频率测量技术,通过采用开关电容滤波器来实现自适应高阶低通滤波,并基于单片机I/O口的脉冲捕捉功能来实现脉冲频率的精确测量。实验结果表明:该测量方法能自动跟踪频率变化并有效削弱干扰信号,提高测量精度。

　　1　涡街流量计及其典型信号

　　1.1　涡街流量计的工作原理

　　压电式涡街流量计的工作原理框图如图1所示,压电晶体是检测元件,受漩涡应力作用产生与漩涡分离频率相同的电荷信号,检测放大器把电荷信号变换处理后,输出与流量成正比例的脉冲信号。流体体积流量Q与漩涡频率f的关系如下。

　　式中:f为旋涡分离频率;K为流量计流量系数。

　　可见,对涡街传感器频率信号的提取和测量是涡街流量计设计的关键。

　　1.2　典型信号分析

　　研究发现,压电式涡街传感器中、小流量时输出信号混杂噪声比较明显,信号中噪声的频率、幅值及其变化规律因现场使用条件而不同。例如,有流体流动的噪声、流体低频摆动噪声、机械振动噪声及工业现场其他设备的干扰等。这样,涡街流量计的输出信号由两部分组成:一是流体流过涡街发生体产生的正弦涡街信号;一是由各种干扰引起的噪声信号。怎样得到涡街信号也就是滤波的问题。