1 引言

      文獻(xiàn)^[1]研制了基于DSP具有譜分析功能的渦街流量計(jì)信號處理系統(tǒng)，并對HP3325B信號發(fā)生器產(chǎn)生的不同頻率的正弦波和諧波進(jìn)行測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的精度。將該系統(tǒng)配上一次儀表，進(jìn)行實(shí)際流量的測試和標(biāo)定時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)測量小流量的能力較弱，井且易受低頻電磁干擾（50Hz干擾）。為此，本文對系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行小流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，取得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

      2 系統(tǒng)改進(jìn)

      2.1 小流量測量

      通常小流量情況下，流體的流速很低，檢測元件的輸出十分微弱，容易被干擾信號掩蓋。測量小流量首要問題是提高電荷放大器的放大倍數(shù)和適配性能。我們研究了實(shí)際的壓電傳感器低頻段特性，改進(jìn)了原有的電荷放大器特性。

      由于壓電傳感器具有很高的輸出阻抗，與它直接相連的前置電路的主要功能應(yīng)是阻抗變換，即把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成較低的輸出阻抗，以利后續(xù)電路對傳感信號的處理。電荷放大器的功能是輸出一個正比于輸入電荷的電壓，同時(shí)提供一個低的輸出阻抗，實(shí)際上是一個電荷-電壓的轉(zhuǎn)換器^[2] 。為了提高輸入級的共模抑制能力，采用雙端輸入的差動電荷/電壓變換器，其雙端的電容電阻參數(shù)完全對稱，以高阻值的反饋電阻提供直流工作點(diǎn)，抑制運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，如圖1所示。其上、下限截止頻率分別為f_h，f_l：

      圖中，U為壓電傳感器的等效電壓；C_a為傳感器的固有電容；C_o為負(fù)端輸入電容；C_f為放大器反饋電容；R_o為負(fù)端輸入電阻；R_f為放大器反饋電阻。首先，根據(jù)信號測量的頻率范圍估算出各參數(shù)，然后，將電荷放大器與壓電傳感器相連，通過實(shí)驗(yàn)確定電路參數(shù)。用HP3325B信號發(fā)生器為電荷放大器提供輸入信號，COM7101A數(shù)字存儲示波器測量電荷放大器的輸出信號，得到改進(jìn)后的電荷放大器幅頻特性如圖2所示。圖2（a）縱坐標(biāo)的單位為V，圖2（b）縱坐標(biāo)的單位為dB。

      為了考核電荷放大器與傳感器本體的適配性能，將電荷放大器與江蘇省宜興市路達(dá)儀表公司生產(chǎn)的渦街傳感器（960409）相連，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，產(chǎn)生的氣流通過渦街傳感器。渦街傳感器的輸出信號送人電荷放大器。用示波器觀測電荷放大器輸出波形，如圖3所示?？梢姡姾煞糯笃鬏敵霾ㄐ畏€(wěn)定，與傳感器適配性能良好。圖（a）（b）（c）（d）分別為鼓風(fēng)機(jī)與傳感器的距離為30cm，60cm，80cm，100cm時(shí)電荷放大器的輸出波形。30cm，60cm，80cm，100cm是根據(jù)標(biāo)定的傳感器線性度曲線選定的測量標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

      改進(jìn)電荷放大器的同時(shí)，在軟件中增加會均值算法。因?yàn)樾×髁繙y量時(shí)，出現(xiàn)頻率為0Hz的情況，將所有的模擬器件調(diào)零后，測量出的頻率仍出現(xiàn)0Hz，這說明直流信號不是器件本身引起的，而是由于采樣信號存在均值。設(shè)置軟件去均值取得較好的結(jié)果。

      2.2 抗干擾

      現(xiàn)場存在嚴(yán)重的電磁干擾，因?yàn)殡姾煞糯笃鞲咻斎胱杩固匦裕蓴_信號很容易耦合到前向輸入通道。消除高頻電磁干擾可以通過儀表的金屬外殼屏蔽和低通濾波來解決，對于低頻電磁干擾，由于其頻率處于渦街信號的頻帶內(nèi)，只有保證系統(tǒng)良好的接地，才能增強(qiáng)抗干擾能力^[3] 。在渦街流量計(jì)信號處理系統(tǒng)中，外接電源通過DC-DC變換提供工作電壓，因此屏蔽線接地有三種情況：

      （1）屏蔽線直接與一個信號端子相連。
      （2）屏蔽線直接與DC-DC的輸出地相連。
      （3）屏蔽線直接與DC-DC的輸入地相連。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合理接地方式，使系統(tǒng)所受空間干擾最小。

      2.3 頻譜校正

      基于FFT譜分析得到的是離散功率譜，譜線間隔等于采樣間隔。一般情況下，信號頻率并不正好對準(zhǔn)某一譜線，而是位于兩條譜線之間，此時(shí)利用主瓣內(nèi)的譜線求主瓣中心的坐標(biāo)，得到準(zhǔn)確的頻率和幅值^[4]，提高頻率測量精度。在利用頻譜重心校正方法提高系統(tǒng)處理精度的基礎(chǔ)上，我們對信號的頻率范圍重新進(jìn)行分段和設(shè)置采樣頻率。信號頻率范圍2-2500Hz，采樣點(diǎn)數(shù)4096點(diǎn)，分五段設(shè)置采樣頻率：0~50Hz，45~140Hz，130~390Hz，380~960Hz，950~2500Hz。最低采樣頻率200Hz，最高采樣頻率12.4kHz。這樣，將原來的10段減少為5段，減少了變換采樣頻率的次數(shù)，計(jì)算精度仍優(yōu)于0.2%。

      2.4 鍵盤監(jiān)控程序

      基于DSP的渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)通過鍵盤監(jiān)控程序來完成顯示、參數(shù)設(shè)置等功能。在設(shè)計(jì)鍵盤監(jiān)控程序時(shí)，為了便于功能擴(kuò)展，采用狀態(tài)變量法來設(shè)計(jì)鍵值分析程序^[5]。

      3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

      3.1 水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

      我們把改進(jìn)后的系統(tǒng)與原合肥儀表總廠生產(chǎn)的一次儀表傳感器（980901F）及本體（980193）相配，在安徽省流量檢定站進(jìn)行水流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。采用精度較高的稱量法進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將某一口徑的渦街傳感器加調(diào)整環(huán)，安裝在流量標(biāo)定裝置的管道上，使漩渦發(fā)生體的迎流面垂直于水流流向，管道的一端接供水口，管道的另一端連接大型的水箱。水箱放置在地稱上，用來測量通過傳感器的液體體積。實(shí)驗(yàn)開始，打開供水閥門，這時(shí)有水流流過傳感器，信號處理系統(tǒng)有頻率輸出，經(jīng)過1~2分鐘，水流穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，直到水流量達(dá)到要求的立方數(shù)，此時(shí)停止計(jì)時(shí)，稱量出對應(yīng)的水容積，從而計(jì)算出儀表系數(shù)K：

K=L/（f?s）（3）

      式中，L為液體體積，f為測量的頻率，s為計(jì)時(shí)時(shí)間。

      取四個流量點(diǎn)進(jìn)行水流量標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。四個流量點(diǎn)分別為17.8m³/h、11.75m³/h、7.5m³/h、6.5m³/h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出線性度為0.11596%，重復(fù)性為0.0264575%，量程比達(dá)到1：15。

表1 液體標(biāo)定測量數(shù)據(jù) 

      3.2 氣體流量測試實(shí)驗(yàn)

      氣體流量測試裝置的管道一端是大型鼓風(fēng)設(shè)備，鼓風(fēng)設(shè)備與變頻器相連，改變變頻器的頻率值，即改變風(fēng)速，相當(dāng)于改變氣體的流量。管道的中部安裝畢托管，畢托管與操作臺上的斜管差壓計(jì)相連。利用畢托管測量流速，計(jì)算公式如下：

      式中，C為畢托管系數(shù)，ρ為來流密度（標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣為1.205kg/m³），ΔP為畢托管差壓（N/m²），由斜管差壓計(jì)測得，斜管用密度為0.8kg/m²、純度99%的酒精標(biāo)定刻度，計(jì)算差壓的公式：

ΔP＝L?K                  （5）

      式中，L為斜管玻璃刻度（mm），K為系數(shù)。

      測試時(shí)將渦街傳感器安裝在氣體流量測試裝置的管道上，使漩渦發(fā)生體的迎流面垂直于氣流的流向，傳感器的輸出信號接至渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的輸入端子。信號處理系統(tǒng)測量的頻率與畢托管測出的流速之比即為儀表系數(shù)。

      測試結(jié)果表明：對于相同的傳感器，數(shù)字信號處理系統(tǒng)標(biāo)出的精度優(yōu)于模擬二次儀表標(biāo)定的結(jié)果。

      3.3 振動信號辨識實(shí)驗(yàn)

      在使用渦街流量計(jì)的工業(yè)現(xiàn)場，振動噪聲是不可避免的，這就要求渦街流量計(jì)具有較強(qiáng)的抗振動干擾能力。目前市場上銷售的渦街流量計(jì)采用模擬方法計(jì)算信號頻率，克服振動噪聲采取提高門檻電壓的方法，這樣做將導(dǎo)致小流量無法測量，大大降低了量程比。渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)利用譜分析的方法，能夠分辨出幅值低于渦街信號的振動噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

      將傳感器放在振動臺上，振動臺的振動源是單相感應(yīng)電動機(jī)（JY7144）產(chǎn)生。將風(fēng)機(jī)放在固定的支架上，風(fēng)機(jī)的排氣口對準(zhǔn)傳感器的感應(yīng)體，使傳感器的漩渦發(fā)生體的迎流面垂直與氣流的流向。

      （1）先給風(fēng)機(jī)通電，產(chǎn)生氣體流量信號，計(jì)算出信號頻率。這里以風(fēng)機(jī)與傳感器相距145mm為例，計(jì)算的頻率為264.401Hz。如圖4（a）所示。
      （2）同時(shí)給振動臺和風(fēng)機(jī)通電，即同時(shí)產(chǎn)生振動信號和渦街信號，計(jì)算的頻率為264.357Hz，如圖4（b）所示。
      （3）關(guān)上風(fēng)機(jī)，只給振動臺通電，計(jì)算的頻率為24.834Hz。如圖4（c）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)能夠分辨出振動噪聲。

      4 結(jié)語

      通過對渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)軟硬件的改進(jìn)，不但提高了電荷放大器與渦街傳感器的適配性能，解決了小流量測量的問題，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在水流量標(biāo)定、氣體流量測試實(shí)驗(yàn)和振動信號辨識中均取得很好驗(yàn)證。

      改進(jìn)的渦街流量計(jì)數(shù)字信號處理系統(tǒng)與模擬式測量系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

      （1）數(shù)字信號處理系統(tǒng)比模擬式測量系統(tǒng)精度高，尤其是在測量小流量時(shí)。
      （2）數(shù)字信號處理系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，例如，在振動環(huán)境中，模擬式處理系統(tǒng)無法辨認(rèn)信號與噪聲，只能拾取疊加信號，造成結(jié)果偏差很大。
      （3）數(shù)字信號處理系統(tǒng)量程比大于模擬式測量系統(tǒng)。
      （4）模擬式測量系統(tǒng)對不同口徑的傳感器要換不同的放大板，數(shù)字信號處理系統(tǒng)只采用一種結(jié)構(gòu)的放大器，通過調(diào)整程控放大器的增益，實(shí)現(xiàn)對不同流量信號的調(diào)整。我們使用的程控放大器可調(diào)范圍為1~1600倍。

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