基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的氣體渦街流量計(jì)的研究

基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的渦街流量計(jì)，采用 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心，雙通道處理方式，將在低流量范圍內(nèi)采用的數(shù)字頻譜分析功能和正常流量范圍內(nèi)的智能渦街計(jì)頻功能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，拓展了渦街流量計(jì)的流量測(cè)量下限。

0.引言

渦街流量計(jì)利用流體經(jīng)過(guò)旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行流量測(cè)量，因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 可靠性高等特點(diǎn)而被廣泛使用。而在小流量情況下，渦街信號(hào)的低信噪比特性直接限制了渦街流量計(jì)的應(yīng)用環(huán)境。

目前，被廣泛使用的渦街流量計(jì)采用的信號(hào)處理方法是基于模擬電子技術(shù)的信號(hào)處理方法，為了拓展渦街流量計(jì)的使用范圍，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的智能數(shù)字渦街流量計(jì)逐步投入市場(chǎng)。 本文以ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心，實(shí)現(xiàn)了渦街流量計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。

１.總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖１ 所示。 本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的渦街流量計(jì)的積算儀單元分為兩個(gè)部分：前置放大電路和數(shù)字信號(hào)處理單元。 本文選用的前置放大電路即為普通模擬渦街流量計(jì)的前置放大電路，包括電荷放大器、低通濾波器、限幅濾波器和施密特觸發(fā)器；而對(duì)渦街信號(hào)的處理則采用了雙通道處理的方式，前置放大電路和數(shù)字信號(hào) 處 理 單 元 相 配 合。  方 波 通 道 即 利 用ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 事件管理器的捕獲模塊，對(duì)前置放大電路輸出的方波頻率進(jìn)行計(jì)算， 然后再由數(shù)字信號(hào)處理器事件管理器通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。 正弦通道即數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)前置放大電路中低通濾波器輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號(hào)進(jìn)行 Ａ ／Ｄ 采樣，再利用數(shù) 字信號(hào)處理器對(duì) Ａ ／Ｄ 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率，***后再由數(shù)字信號(hào)處理器通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。

在正常流量范圍的情況下， 選用方波通道，即傳統(tǒng)的模擬電子電路對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后將此脈沖信號(hào)輸入到 ＤＳＰ 的事件管理器的捕獲模塊， 進(jìn)行脈沖計(jì)頻， 再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算處理，***后由事件管理器通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。 在微小流量的情況下，數(shù)字信號(hào)處理器利用其 Ａ ／Ｄ 采樣端口采集經(jīng)

電荷放大、 低通濾波處理后的正弦信號(hào)， 之后進(jìn)行 ＦＦＴ 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)頻率值，***后采用與方波處理同樣的方式輸出脈沖。

２.試驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)的基于 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 的數(shù)字渦街流量計(jì)的氣體流量實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，是以天津大學(xué)過(guò)程檢測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)室的氣固兩相流實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)， 經(jīng)過(guò)部分改造后的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的。

穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐中，高溫壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷干機(jī)冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)氣路總閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)（ 標(biāo)準(zhǔn)表）、數(shù)字渦街流量計(jì)（ 被校表） 后，***終通向大氣。 實(shí)驗(yàn)中對(duì)渦街流量計(jì)的流量校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法，即由渦輪流量計(jì)測(cè)得的流量值、渦輪流量計(jì)表前壓力變送器測(cè)得的壓力值及數(shù)字渦街流量計(jì)表前壓力變送器測(cè)得的壓力值便可換算得到流經(jīng)被測(cè)渦街流量計(jì)的體積流量（ 管路中氣體溫度變化很小，忽略不計(jì)）。 標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)的***大允許誤差為 ±１%，內(nèi)徑為 50ｍｍ，流量范圍為 5 ～１00ｍ３ ／ｈ；兩個(gè)壓力變送器的***大允許誤差均為 ±0.２%。

圖２ 為氣體流量試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。 為避免氣體壓力波動(dòng)，空氣壓縮機(jī)先將大氣中的空氣壓縮打入整個(gè)試驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制處理，并對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用 ＰＩＤ 調(diào)節(jié)， 以確保流量穩(wěn)定， 對(duì)渦街、 渦輪流量計(jì)以及壓力變送器的輸出信號(hào)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)分析。

３.試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將本文設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)在 50ｍｍ 口徑（簡(jiǎn)稱 ＤＮ50）的氣體流量試驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)研究。 先在其正常流量范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測(cè)量的流量下限。 每個(gè)流量點(diǎn)檢定三次， 計(jì)算其重復(fù)性、平均儀表系數(shù)和線性度。 氣體流量實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表１ 所示。

根據(jù)表１ 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將氣體流量實(shí)驗(yàn)儀表系數(shù)隨流量點(diǎn)的變化繪制成曲線如圖３ 所示。

本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)有效地降低了ＤＮ50 氣體渦街流量計(jì)的測(cè)量下限，較低可以測(cè)量到３８Ｈｚ 的渦街信號(hào)（該頻率對(duì)應(yīng)的流量為１5ｍ３ ／ｈ，流速為２.１３ｍ ／ｓ），且穩(wěn)定性較好，但此時(shí)重復(fù)性和儀表系數(shù)的線性度較差。 隨著流量值的增大，儀表性能逐漸變好。

４.小結(jié)

本文介紹了以 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心的數(shù)字渦街流量計(jì)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的渦街流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小流量氣體的測(cè)量，拓展了渦街流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。