基于數(shù)字信號處理技術(shù)的氣體渦街流量計的研究
基于數(shù)字信號處理技術(shù)的氣體渦街流量計的研究
基于數(shù)字信號處理技術(shù)的渦街流量計，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)的智能渦街計頻功能有機(jī)地結(jié)合起來，拓展了渦街流量計的流量測量下限。
0.引言
渦街流量計利用流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的振動進(jìn)行流量測量，因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高等特點(diǎn)而被廣泛使用。而在小流量情況下，渦街信號的低信噪比特性直接限制了渦街流量計的應(yīng)用環(huán)境。
目前，被廣泛使用的渦街流量計采用的信號處理方法是基于模擬電子技術(shù)的信號處理方法，為了拓展渦街流量計的使用范圍，采用數(shù)字信號處理技術(shù)的智能數(shù)字渦街流量計逐步投入市場。 本文以ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心，實(shí)現(xiàn)了渦街流量計的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
１.總體設(shè)計方案
系統(tǒng)設(shè)計方案如圖１ 所示。 本文設(shè)計的基于數(shù)字信號處理技術(shù)的渦街流量計的積算儀單元分為兩個部分：前置放大電路和數(shù)字信號處理單元。 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；而對渦街信號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 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，對前置放大電路輸出的方波頻率進(jìn)行計算， 然后再由數(shù)字信號處理器事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。 正弦通道即數(shù)字信號處理器對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進(jìn)行 Ａ ／Ｄ 采樣，再利用數(shù) 字信號處理器對 Ａ ／Ｄ 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，***后再由數(shù)字信號處理器通用定時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)的模擬電子電路對渦街信號進(jìn)行預(yù)處理，然后將此脈沖信號輸入到 ＤＳＰ 的事件管理器的捕獲模塊， 進(jìn)行脈沖計頻， 再通過數(shù)字信號處理器運(yùn)算處理，***后由事件管理器通用定時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， 之后進(jìn)行 ＦＦＴ 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，***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)計的基于 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 的數(shù)字渦街流量計的氣體流量實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，是以天津大學(xué)過程檢測和控制實(shí)驗(yàn)室的氣固兩相流實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)， 經(jīng)過部分改造后的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的。
穩(wěn)壓儲氣罐中，高溫壓縮空氣經(jīng)過冷干機(jī)冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經(jīng)氣路總閥、氣動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計（ 標(biāo)準(zhǔn)表）、數(shù)字渦街流量計（ 被校表） 后，***終通向大氣。 實(shí)驗(yàn)中對渦街流量計的流量校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法，即由渦輪流量計測得的流量值、渦輪流量計表前壓力變送器測得的壓力值及數(shù)字渦街流量計表前壓力變送器測得的壓力值便可換算得到流經(jīng)被測渦街流量計的體積流量（ 管路中氣體溫度變化很小，忽略不計）。 標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計的***大允許誤差為 ±１%，內(nèi)徑為 50ｍｍ，流量范圍為 5 ～１00ｍ３ ／ｈ；兩個壓力變送器的***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，空氣壓縮機(jī)先將大氣中的空氣壓縮打入整個試驗(yàn)裝置由計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時控制處理，并對氣動調(diào)節(jié)閥采用 ＰＩＤ 調(diào)節(jié)， 以確保流量穩(wěn)定， 對渦街、 渦輪流量計以及壓力變送器的輸出信號均由計算機(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)計的數(shù)字渦街流量計在 50ｍｍ 口徑（簡稱 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量的流量下限。 每個流量點(diǎn)檢定三次， 計算其重復(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)計的數(shù)字渦街流量計有效地降低了ＤＮ50 氣體渦街流量計的測量下限，較低可以測量到３８Ｈｚ 的渦街信號（該頻率對應(yīng)的流量為１5ｍ３ ／ｈ，流速為２.１３ｍ ／ｓ），且穩(wěn)定性較好，但此時重復(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，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于數(shù)字信號處理技術(shù)的渦街流量計可實(shí)現(xiàn)對小流量氣體的測量，拓展了渦街流量計的應(yīng)用領(lǐng)域。