涡街流量计信号处理方法与实现

　　1　问题提出

　　涡街流量计是20世纪60年代末期发展起来的基于卡门涡街效应原理的流量测量仪表.传感器内部无活动部件,使用寿命长,标定精度较高;量程比宽,压力损失小;运行可靠,维护方便.近30多年的工业应用也证明涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性.

　　卡门涡街效应即在流体中放置一个外形为外流线型对称的阻流体,在一定的雷诺数范围内,阻流体的下游侧会产生两列不对称的且有规律的漩涡,如图1所示[1].

　　实验表明,涡流漩涡的频率f与流体的平均流速Q成线性关系:

式中,Sr为斯特劳哈尔数;d为阻流体特征尺寸;D为管道内径.

　　当Re在3×104~3×106范围时,K可近似为常数,因此,仅需检测f即可得到流体的流量[2].目前涡街流量计传感器中一般采用压电敏感元件将流体的振动信号转化为电信号,并利用比较器、数字信号处理方法等手段实现涡街频率信号的检测,进而实现流量计算.目前的信号处理方法在应用中存在如下不足[3-4]:

　　1)易受测量现场各种干扰的影响,实际测量精度低于实验室标定精度.干扰主要为流场不稳定、管道振动和电磁噪声.

　　2)量程比受限.理论上涡街流量计的量程比可以达到100∶1,而目前实际上一般只达到10∶1.因为小流量时,产生的信号十分微弱,易被噪声淹没.

　　3)不同口径的传感器需要人工调整2次仪表的滤波和放大参数进行匹配,不能动态自动调节.

　　针对涡街流量计应用中存在的实际问题和需求,设计了一种增益和滤波参数均由程序自动控制的新型涡街流量计信号处理电路,提高信噪比和测量精度与稳定性.

　　2　系统实现

　　2. 1　信号特性分析

　　图2、图3为某型号Φ50mm涡街流量计在0.1L/s流量时的原始信号和功率谱分析波形,图4、图5为该涡街流量计在3L/s流量时的原始信号和功率谱分析波形.可以看出,在小流量和大流量时,原始信号的幅度变化范围较大,最小量程和最大量程信号幅度比约为1/100左右;小流量时信号中含有较多干扰,其幅值与信号幅值相近[2].因此,涡街流量计信号处理电路必须具备幅度增益调节和滤波能力,将小流量时的微弱信号放大并进行滤波处理,以满足测量精度.

　　2. 2　硬件设计

　　常规的信号处理电路依靠编码开关人为调节信号放大电路的放大倍数,一旦调节完毕,在实际的测量中,信号幅度不能根据实际情况进行动态调节,以达到较好的信号处理目的.滤波电路同样依靠编码开关调节滤波电容参数,不能动态跟踪信号的中心频率.为此,设计了一种基于变增益运算放大器和带通开关电容滤波器的新型涡街流量计信号处理电路,如图6所示.