E+H涡街流量传感器信号处理方法研究

e+h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[1-3]。

    实验表明，涡流漩涡的频率fi与流体的平均流速Q成线性关系

       （1）

    式（1）中，K为仪表系数，表示为

图1　卡门漩涡示意图

  （2）

    式（2）中，St为斯特罗哈尔数，d为阻流体特征尺寸，D为管道内径。

    当雷诺数在3×10⁴～3×10⁶范围时，仪表系数K可近似为常数，因此，仅需检测fi即可得到流体的流量。

    目前涡E+H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[4-7]：

    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二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。

    1　系统实现

    1.1　信号特性分析

    图2、图3为Φ50mm口径涡街流量计在0.1L/s流量时的原始信号和功率谱波形，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，zui小量程和zui大量程信号幅度比约为1/100；小流量时信号中含有较多干扰，其幅值与信号幅值相近[8]。

图2　流量为0.1L/s时，敏感元件输出信号波形

图3　流量为0.1L/s时，敏感元件输出信号功率谱

图4　流量为3L/s时，敏感元件输出信号波形

    因此，e+h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。

图5　流量为3L/s时，敏感元件输出信号功率谱

    1.2　硬件设计

    常用的信号处理电路依靠编码开关人为调节信号放大倍数，一旦调节完毕，实际的测量中，信号幅度不能根据实际情况进行自动动态调节。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，设计了以DSP为运算核心，辅助变增益运算放大器的新型涡街流量计信号处理系统，如图6所示。

图6　硬件结构示意图

    图6中，压电传感器采用常规的压电敏感元件，电荷放大器由高输入阻抗运放LF411和电阻电容构成，均属常规电路，原理在文中不进行详细说明。下面着重介绍变增益放大器和开关电容滤波器电路。

    变增益放大电路以线性增益控制芯片AD603为核心，在控制电平的作用下，增益调整范围为-11dB～+31dB。图7为典型的AD603增益曲线。

图7　AD603的增益曲线示意图

    由前面分析知，原始信号zui小幅值与zui大幅值比约为1/100，相差-40dB。AD603的线性增益控制zui大为40dB，*设计要求。系统以DSP（TMS320F2812）为运算核心，负责模拟信号采集、FIR数字滤波、信号幅度检测、变增益放大电路控制、LCD液晶显示、键盘控制以及RS485通讯。

    1.3　软件设计

    DSP处理软件主要由主程序和中断服务程序构成。主程序负责信号频率的计算、流量的解算和温度补偿、测量结果显示、键盘处理以及RS485通讯；中断服务程序完成信号的AD转换、信号FIR滤波处理、信号幅度检测以及根据幅度结果实时调节变增益放大器的调节电压和温度测量。其中，FIR滤波程序主要是针对原始信号中幅度较强的噪声进行初步抑制，实现涡街流量计在复杂工况情况下，也能解算流体流量。程序流程见图8[9-12]。

图8　软件流程图

    2　实验研究

    2.1　模拟实验

    ①针对信号特性，利用Matlab设计仿真波形；

    ②采用NI2DAQ6110E数据采集系统将Mat-lab仿真波形输出至硬件系统；

    ③利用DSP采集数据并分析，将原始AD采集数据和FIR滤波后数据进行存储；

    ④利用Matlab分析采集结果；

    ⑤利用DSP计算信号频率得到相对误差。

    2.2　模拟实验结果

    图9所示为Matlab仿真0.1L/s时原始信号波形及功率谱图（输出信号频率为1Hz，幅度为30mV），图10为对应的经变增益放大器和开关电容滤波器以及抗混叠滤波器的输出波形和功率谱图。图11所示为Matlab仿真3L/s时原始信号波形及功率谱图（输出信号频率为35Hz，幅度为3V），图12为对应的经变增益放大器和开关电容滤波器以及抗混叠滤波器的输出波形和功率谱图。

图9　仿真输出0.1L/s时原始信号波形及功率谱图

图10　系统采集0.1L/s处理后的信号波形及功率谱图

图11　仿真输出3L/s时原始信号波形及功率谱图

图12　系统采集3L/s处理后的信号波形及功率谱图

    由图10和图12可以看出，利用变增益放大器和DSP软件处理后的信号幅度基本稳定，各种干扰信息也得到了较好的抑制。

    表1为DSP计算频率的结果，测量相对误差均在±0.2%以内。

    2.3　流量实验

    图13为利用实验室鼓风机提供气体流量，Φ50mm涡街流量传感器输出的原始信号波形图。图14为图13的原始信号经DSP滤波处理后的时域波形图。图15为图13的原始信号由DSP进行FFT转换的频谱图。图16为图13的原始信号经DSP滤波处理后的频域波形图。图13～图16均为DSP调试软件绘制。

    由图13～图16可以对比看出，针对实际流量信号，该系统仍可以有效抑制噪声干扰。

图13　系统采集原始信号波形

图14　系统采集的原始信号经FIR滤波后的波形

图15　系统采集原始信号的频谱图

图16　系统采集原始信号FIR滤波后的频谱图

        基于实际涡街流量计信号特征，设计了变增益运算放大器和DSP信号处理电路的新型涡街流量计信号处理系统。实验结果证明：传感器经放大滤波后的信号幅度基本稳定，DSP滤波效果较好，频率计算精度较高，达到了±0.2%。目前系统只针对模拟信号和实际流量信号进行了测量，未在部门进行流量精度标定，在下一阶段工作中将进行流量标定实验，进一步验证系统的可行性及测量精度。