摘要:比较了涡街流量计的测量方法,选用了具有灵敏度高、耐热性强抗震性强等优点的电容式涡街流量计,介绍了其测量原理与系统组成.通过科学的理论推导,获得涡街力、偏转角与电容的关系,并将电容式涡街流量测量信号处理方法进行分析和比较.最后阐述了电容式涡街流量计研制的技术关键.
涡街流量计具有精度高、量程比较宽、线性度较好且适用各种介质等一系列的优点,在计量检测中发挥越来越大的作用,有着广泛的应用前景,因此对涡街流量计的研究具有重要的意义.
涡街流量传感器按检测方式主要有热敏式、应力式、电容式等.热敏式涡街传感器灵敏度高,适宜低温、低密度的气体测量,但易受流体中污物的影响或损坏.应力式涡街传感器具有响应快、信号强、工艺性好、制造成本低等优点,但抗震性相对较差,信噪比较低,，在低密度、低流速环境振动大的场合不宜使用电容式涡街流量计与其他涡街流量计相比,具有灵敏度高、耐热性强、抗震性强等优点,因而在工业企业中得到了广泛的应用.
1电容式涡街流量测量原理与系统组成
涡街流量计是利用流体振荡原理来测量流量或流速.在流体中放置一个具有均匀断面形状的挡体，在挡体的两侧会交替产生一种有规律的漩涡,并向下游流去,非对称地形成二列漩涡列,即卡门涡街.利用这种漩涡产生的规律,根据漩涡产生的频率ƒ,通过
其中,ʋ表示流体流速;d表示漩涡发生体特征宽度;m表示漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比;Q表示体积流量;D表示管道内径;k表示流量计仪表系数.斯特哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，在雷诺数的范围为2x104~7X106时,s;可视为常数,即仪表正常工作范围.
电容式涡街传感器的检测元件是一-根刚性空心圆杆,当涡街作用在圆杆底部时,刚性圆杆会绕着固定点偏转.圆杆.上部作为电容的-一个极板,，与另外两个电极组成差动电容,差动电容值会随圆杆摆动而改变,其规律为与涡街发生同频率的周期性变化.转换器检测电容的变化,并转换为脉冲信号,该脉冲频率就是涡街的发生频率,与流量大小成正比.转换器最终输出流量大小为4~20mA模拟信号或通过HART现场总线输出数字信号.电容传感器如图1所示，.
涡街力与偏转角的关系是根据转动的物体遵循牛顿转动定律得出,通过必要的理论推导,获得涡街力、偏转角与电容的关系为
其中，T表示物体所受到的力矩;J表示物体转动惯量;θ表示角位移;C表示粘性摩擦系数.
涡街力与流速之间的关系为
其中，F表示涡街产生的交替推力，T=F*R;CL表示无量纲系数;ʋ表示流体的流速;Q表示流体的密度;D表示管道内径;d表示漩涡发生体迎流面宽度.
最后偏转角与电容的关系为
其中,△C表示差动电容;Ɛ表示电容介质系数;b表示极板宽度;δ表示两极板的间距.
电容式涡街流量计由传感器和转换器两部分组成.传感器包括漩涡发生体(阻流体)检测元件、仪表表体等;转换器包括电荷检测电路、滤波整形电路、微处理器、D/A转换电路、输出接口电路、显示通信电路、端子、支架和防护罩等.
2电容式涡街流量测量计信号处理方法比较
涡街流量信号由两部分组成:--是由流速产生的正弦涡街信号,1二是干扰引起的噪声信号,因此涡街信号远非理想的正弦波信号,而是一个混有强噪声的混合信号.现在，已经提出了很多种处理涡街信号的方法,用来提取流量信号的频率.
2.1谱分析信号处理方法
建立噪声模板和信号模板的基础上,用谱分析方法消除涡街流量计中的强噪声是近年来研究热点之一,利用该方法解决强干扰条件下涡街流量计测量问题.首先将频率测量范围分段,在不同频段建立噪声模板,然后用混合信号的功率谱与噪声模板,提取噪声,再利用插值法消除噪声,最后对消除噪声的信号进行频谱分析,计算出频率，利用频谱校正法提高计算精度[31.但是,噪声情况各种各样.不易获得噪声的所有模板.经典谱分析算法对正态分布的白噪声有很好的抑制作用，方法直观,容易编程实现.但在非整周期采样时误差较大,需要进行频谱校正.而现代谱分析方法更适合短序列的谱分析,对噪声抑制能力强,精度高,但建模阶数对功率谱计算的结果有影响,有时还存在谱线分裂现象.
2.2自适应滤波信号处理方法
采用基于最小均方自适应算法的现代谱分析处理流量信号.自适应滤波方法采用十抽一滤波器和高低通滤波器.自适应陷波针对不同频率的信号建立不同参数的模型,在非整周期采样、谐波和噪声千扰情况下频率测量都能达到较好的精度,其不足之处是采样点数多,计算时间长,实时性差.如果流量信号发生突变,而采样频率没有及时跟踪,会造成较大的测量误差.由漩涡发生体、热线探针、前置处理电路和APPLE微机构成测量系统,验证了谱分析方法用于涡街流量计信号处理的可行性,但是,这种方法对谐波干扰的抑制能力较差.
2.3熵谱法信号处理方法
对周期图谱分析和基于Burg的现代谱分析方法一最大熵谱法,用于涡街流量计的信号处理进行了研究,发现周期图谱分析方法对长序列的计算精度高,对谐波的抑制能力强,处理非过零采样的数据时,计算精度不受影响,基于Burg算法的谱分析方法,先建立自回归模型,再计算功率谱'51.采用Burg算法,以正反向线性预测误差能量的平方和最小为准则,来估计自回归模型的系数,特别易于短序列的谱分析,分辨率较高.进行仿真后,发现Burg算法抑制随机噪声能力强,但抑制确定性噪声,如涡街产生的低频摆动噪声的能力比周期图法差.
2.4DSP软硬件结合信号处理方法
采用DSP芯片将周期图谱分析法和数字信号处理器应用于涡街流量计的信号处理,研制了硬、软件系统计算流量信号的频率,取得了不错的效果.但是,采用DSP芯片,首先是价格较高,其次在市电供给困难的场合,如野外、井下、长期无人值守的环境下,就不能采用DSP芯片作为处理器了,因为现有的DSP芯片功耗至少有几十毫安.基于FFT的经典谱分析方法,直接用傅立叶变换对有限时间序列计算功率谱，求取信号频率.该方法能有效抑制谐波干扰,但在非整周期采样时,有较大的泄漏误差,必须利用频谱校正方法来提高测量精度.
2.5小波变换信号处理方法
小波变换可以作为--组带通滤波器,用来对涡街传感器信号进行滤波,去除噪声,以便正确提取频率信息.利用小波变换的低通和带通滤波特性,可以把原始信号中的不同频率的信号成分分离出来16].小波变换可看成是--组带通滤波器,具有低频处分辨率高、高频处分辨率低的特点,但功耗和实时性需要进一步探讨.
2.6数字滤波器信号处理方法
数字滤波器的设计方法很多,最通用的方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法,如Butteworh滤波器、Chebyshev滤波器、椭圆滤波器等.采用Buttenworth滤波、低通滤波、中位数滤波相结合的滤波方法对原始的涡街信号进行处理,该方法能满足低通滤波要求,通过合理选择窗口长度可以有效滤除脉冲噪声(".但是在实际应用时,信号需要经过三级滤波,存在计算量大、实时性较差的问题.
3电容式涡街流量计研制的关键技术
综合国内外研究状况,涡街流量计研究的发展的关键技术主要集中在以下方面..
3.1传感器设计
设计更加传感器.探头电容极板的基体在高温下成型.增强抗高温特性,使核心部件的内部结构可靠性更高.采用现代流场分析技术.对传感器的具体结构以及安装位置进一步改进,增强抗振性能,可以消除各个方向的振动干扰,稳定漩涡,使涡街流量计在小流量情况下的抗干扰能力更强,时域波形毛刺更少,频城波形更加稳定.通频带能自动跟踪,无须电位器或拨动开关调整频带和灵敏度,无零漂移,量程自由设定，真正实现现场免调试.
3.2现场总线设计
采用全数字化现场总线的智能涡街流量计.目前,现场总线技术是智能仪表的研究热点.可以考虑实际需求,增加HART总线硬件接口,该模块采用抗干扰能力强,通信速率高,传送数据精度高的电路来完成数据传送,它既有RS.485总线通信的抗干扰能力强的特点,又具有输出信号为二线制4~20mA的工业标准,依照相应的通讯协议,完成HART协议数据链路层和应用层的软件设计,实现HART总线通信功能.
3.3数字信号处理方法的设计
应用更加数字信号处理方法,能更好地解决干扰问题,提高流量测量精度,进一-步提高分辨率.干扰信号与涡街信号在同一频段的情况已有研究,当两种信号的频率在同一频段且频率非常靠近时,研究如何分辨这两种信号,及如何消除噪声信号的频谱对涡街信号频谱的干涉等.研究信号的分析方法时,若所选用幅频特性的过渡带不够陡,则使得它分频特性不好,会造成频率分辨率不够高.同时，靠近涡街频率的谐波不易滤干净,将会影响测量精度,因此还需要研究函数的选取、分级,滤波器的幅频特性和中心频率的调整采样频率和采样点数如何确定,以及在软件编程中如何优化算法,使计算量少、内存占用量少和运算误差小,以保证体积小.实时性好和计算精度高等问题.研究强干扰噪声是以建立某种噪声的模板为基础,考虑建立--种通用的模板,真正解决强干扰下涡街信号和噪声的判别、分离及提取问题,在传感器条件一定的情况下,考虑利用信号处理技术扩大量程比,提高小流量测量精度,全面.深入地研究流场噪声以及它们对涡街信号影响等.
4结语
涡街流量计在流量测量中应用非常广泛,电容式涡街流量计具有抗振性好、温度适应能力强.通用性好等特点.通过对电容式涡街流量计测量原理和系统组成的理解.信号处理方法的比较及对该流量计研制的关键技术问题的分析,可以对电容式涡街流量计有很清楚的认识,有助于对涡街流量计的设计与研究.
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