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電容式渦街流量計測量方法研究
發布時間:2022-1-3 08:36:44

摘要:比較了渦街流量計的測量方法,選用了具有靈敏度高、耐熱性強抗震性強等優點的電容式渦街流量計,介紹了其測量原理與系統組成.通過科學的理論推導,獲得渦街力、偏轉角與電容的關系,并將電容式渦街流量測量信號處理方法進行分析和比較.最后闡述了電容式渦街流量計研制的技術關鍵.
  渦街流量計具有精度高、量程比較寬、線性度較好且適用各種介質等一系列的優點,在計量檢測中發揮越來越大的作用,有著廣泛的應用前景,因此對渦街流量計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.應力式渦街傳感器具有響應快、信號強、工藝性好、制造成本低等優點,但抗震性相對較差,信噪比較低,,在低密度、低流速環境振動大的場合不宜使用電容式渦街流量計與其他渦街流量計相比,具有靈敏度高、耐熱性強、抗震性強等優點,因而在工業企業中得到了廣泛的應用.
1電容式渦街流量測量原理與系統組成
  渦街流量計是利用流體振蕩原理來測量流量或流速.在流體中放置一個具有均勻斷面形狀的擋體,在擋體的兩側會交替產生一種有規律的漩渦,并向下游流去,非對稱地形成二列漩渦列,即卡門渦街.利用這種漩渦產生的規律,根據漩渦產生的頻率ƒ,通過
 
  其中,ʋ表示流體流速;d表示漩渦發生體特征寬度;m表示漩渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比;Q表示體積流量;D表示管道內徑;k表示流量計儀表系數.斯特哈爾數為無量綱參數,它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關,在雷諾數的范圍為2x104~7X106時,s;可視為常數,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,當渦街作用在圓桿底部時,剛性圓桿會繞著固定點偏轉.圓桿.上部作為電容的-一個極板,,與另外兩個電極組成差動電容,差動電容值會隨圓桿擺動而改變,其規律為與渦街發生同頻率的周期性變化.轉換器檢測電容的變化,并轉換為脈沖信號,該脈沖頻率就是渦街的發生頻率,與流量大小成正比.轉換器最終輸出流量大小為4~20mA模擬信號或通過HART現場總線輸出數字信號.電容傳感器如圖1所示,.
 
  渦街力與偏轉角的關系是根據轉動的物體遵循牛頓轉動定律得出,通過必要的理論推導,獲得渦街力、偏轉角與電容的關系為
 
  其中,T表示物體所受到的力矩;J表示物體轉動慣量;θ表示角位移;C表示粘性摩擦系數.
渦街力與流速之間的關系為
 
  其中,F表示渦街產生的交替推力,T=F*R;CL表示無量綱系數;ʋ表示流體的流速;Q表示流體的密度;D表示管道內徑;d表示漩渦發生體迎流面寬度.
最后偏轉角與電容的關系為
 
  其中,△C表示差動電容;Ɛ表示電容介質系數;b表示極板寬度;δ表示兩極板的間距.
  電容式渦街流量計由傳感器和轉換器兩部分組成.傳感器包括漩渦發生體(阻流體)檢測元件、儀表表體等;轉換器包括電荷檢測電路、濾波整形電路、微處理器、D/A轉換電路、輸出接口電路、顯示通信電路、端子、支架和防護罩等.
2電容式渦街流量測量計信號處理方法比較
  渦街流量信號由兩部分組成:--是由流速產生的正弦渦街信號,1二是干擾引起的噪聲信號,因此渦街信號遠非理想的正弦波信號,而是一個混有強噪聲的混合信號.現在,已經提出了很多種處理渦街信號的方法,用來提取流量信號的頻率.
2.1譜分析信號處理方法
  建立噪聲模板和信號模板的基礎上,用譜分析方法消除渦街流量計中的強噪聲是近年來研究熱點之一,利用該方法解決強干擾條件下渦街流量計測量問題.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進行頻譜分析,計算出頻率,利用頻譜校正法提高計算精度[31.但是,噪聲情況各種各樣.不易獲得噪聲的所有模板.經典譜分析算法對正態分布的白噪聲有很好的抑制作用,方法直觀,容易編程實現.但在非整周期采樣時誤差較大,需要進行頻譜校正.而現代譜分析方法更適合短序列的譜分析,對噪聲抑制能力強,精度高,但建模階數對功率譜計算的結果有影響,有時還存在譜線分裂現象.
2.2自適應濾波信號處理方法
  采用基于最小均方自適應算法的現代譜分析處理流量信號.自適應濾波方法采用十抽一濾波器和高低通濾波器.自適應陷波針對不同頻率的信號建立不同參數的模型,在非整周期采樣、諧波和噪聲千擾情況下頻率測量都能達到較好的精度,其不足之處是采樣點數多,計算時間長,實時性差.如果流量信號發生突變,而采樣頻率沒有及時跟蹤,會造成較大的測量誤差.由漩渦發生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機構成測量系統,驗證了譜分析方法用于渦街流量計信號處理的可行性,但是,這種方法對諧波干擾的抑制能力較差.
2.3熵譜法信號處理方法
  對周期圖譜分析和基于Burg的現代譜分析方法一最大熵譜法,用于渦街流量計的信號處理進行了研究,發現周期圖譜分析方法對長序列的計算精度高,對諧波的抑制能力強,處理非過零采樣的數據時,計算精度不受影響,基于Burg算法的譜分析方法,先建立自回歸模型,再計算功率譜'51.采用Burg算法,以正反向線性預測誤差能量的平方和最小為準則,來估計自回歸模型的系數,特別易于短序列的譜分析,分辨率較高.進行仿真后,發現Burg算法抑制隨機噪聲能力強,但抑制確定性噪聲,如渦街產生的低頻擺動噪聲的能力比周期圖法差.
2.4DSP軟硬件結合信號處理方法
  采用DSP芯片將周期圖譜分析法和數字信號處理器應用于渦街流量計的信號處理,研制了硬、軟件系統計算流量信號的頻率,取得了不錯的效果.但是,采用DSP芯片,首先是價格較高,其次在市電供給困難的場合,如野外、井下、長期無人值守的環境下,就不能采用DSP芯片作為處理器了,因為現有的DSP芯片功耗至少有幾十毫安.基于FFT的經典譜分析方法,直接用傅立葉變換對有限時間序列計算功率譜,求取信號頻率.該方法能有效抑制諧波干擾,但在非整周期采樣時,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進行濾波,去除噪聲,以便準確提取頻率信息.利用小波變換的低通和帶通濾波特性,可以把原始信號中的不同頻率的信號成分分離出來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,但功耗和實時性需要進一步探討.
2.6數字濾波器信號處理方法
  數字濾波器的設計方法很多,最通用的方法是利用已經很成熟的模擬濾波器的設計方法,如Butteworh濾波器、Chebyshev濾波器、橢圓濾波器等.采用Buttenworth濾波、低通濾波、中位數濾波相結合的濾波方法對原始的渦街信號進行處理,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(".但是在實際應用時,信號需要經過三級濾波,存在計算量大、實時性較差的問題.
3電容式渦街流量計研制的關鍵技術
  綜合國內外研究狀況,渦街流量計研究的發展的關鍵技術主要集中在以下方面..
3.1先進的傳感器設計
  設計更加先進的傳感器.探頭電容極板的基體在高溫下成型.增強抗高溫特性,使核心部件的內部結構可靠性更高.采用現代流場分析技術.對傳感器的具體結構以及安裝位置進一步改進,增強抗振性能,可以消除各個方向的振動干擾,穩定漩渦,使渦街流量計在小流量情況下的抗干擾能力更強,時域波形毛刺更少,頻城波形更加穩定.通頻帶能自動跟蹤,無須電位器或撥動開關調整頻帶和靈敏度,無零漂移,量程自由設定,真正實現現場免調試.
3.2先進的現場總線設計
  采用全數字化現場總線的智能渦街流量計.目前,現場總線技術是智能儀表的研究熱點.可以考慮實際需求,增加HART總線硬件接口,該模塊采用抗干擾能力強,通信速率高,傳送數據精度高的電路來完成數據傳送,它既有RS.485總線通信的抗干擾能力強的特點,又具有輸出信號為二線制4~20mA的工業標準,依照相應的通訊協議,完成HART協議數據鏈路層和應用層的軟件設計,實現HART總線通信功能.
3.3先進的數字信號處理方法的設計
  應用更加先進的數字信號處理方法,能更好地解決干擾問題,提高流量測量精度,進一-步提高分辨率.干擾信號與渦街信號在同一頻段的情況已有研究,當兩種信號的頻率在同一頻段且頻率非?拷鼤r,研究如何分辨這兩種信號,及如何消除噪聲信號的頻譜對渦街信號頻譜的干涉等.研究信號的分析方法時,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,會造成頻率分辨率不夠高.同時,靠近渦街頻率的諧波不易濾干凈,將會影響測量精度,因此還需要研究函數的選取、分級,濾波器的幅頻特性和中心頻率的調整采樣頻率和采樣點數如何確定,以及在軟件編程中如何優化算法,使計算量少、內存占用量少和運算誤差小,以保證體積小.實時性好和計算精度高等問題.研究強干擾噪聲是以建立某種噪聲的模板為基礎,考慮建立--種通用的模板,真正解決強干擾下渦街信號和噪聲的判別、分離及提取問題,在傳感器條件一定的情況下,考慮利用信號處理技術擴大量程比,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影響等.
4結語
  渦街流量計在流量測量中應用非常廣“泛,電容式渦街流量計具有抗振性好、溫度適應能力強.通用性好等特點.通過對電容式渦街流量計測量原理和系統組成的理解.信號處理方法的比較及對該流量計研制的關鍵技術問題的分析,可以對電容式渦街流量計有很清楚的認識,有助于對渦街流量計的設計與研究.

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