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智能涡街流量计|嵌入式智能涡街流量计厂家原理

时间:2017/09/06来源:未知

 摘要:为了提高涡街流量计对低流量的测量精度,利用热敏电阻电桥检测涡街分离频率,通过对涡街信号进行预处理电路放大后,再分别以190Hz为界限对高低频信号设置不同的增益进行处理,避免了信号失真;经整形电路变成脉冲信号后,送给嵌入式处理器LPC2129的 ADC接口进行运算、分析和显示,并通过CAN总线自动将流量数据发送至上位机进行处理、监测和存储;通过实验表明,该智能涡街流量计不仅具有良好的线性,还能够实现小于1m/s的风速测量,大大提高了涡街流量计的测量下限和精度。

0、引言:
  流量测量是工业生产和过程控制中的重要监测参数之一,在多个领域内得到了广泛应用。目前常用的流量计主要有孔板流量计、涡轮流量计、超声波流量计、热式质量流量计和差压流量计等,其中涡街流量计具有精度高、结构简单、安装方便和可靠性高等诸多优点,已经成为主流的流量测量仪表,被广泛地应用于各种气体、蒸汽和液体介质的流量测量[1 2]。但涡街流量计存在低流量测量精度差的难题,故设计了嵌入式智能涡街流量计,采用对高低频率信号分别放大处理电路,实现了不同流量范围 的 精 确 测 量,而 且 流 量 计 能 够 实 现 本 地 实 时 显示,并提供了 CAN 总线接口便于数据自动智能传输和测量。

1、涡街流量计工作原理及测量系统构成;
1.1、涡街流量计工作原理:
  在流通本体内插入一个旋涡发生体,旋涡发生体轴线与被测介质流动方向垂直,底面迎向流体。当被测介质流过旋涡发生体时,在旋涡发生体两侧交替产生旋涡,旋涡不断产生和分离,在旋涡发生体下游便形成了交错排列的两列旋涡[3]。理论分析和实验已证明,旋涡分离的频率与旋涡发生体侧介质流速成正比,公式为:
计算公式
式中:f为旋涡发生体侧旋涡分离的频率 (Hz);v为旋涡发生体流速 (m/s);d为旋涡发生体迎流面宽度 (m);Sr为斯特劳哈尔数,
它是一个取决于旋涡发生体断面形状而与流体性质和流速大小基本无关的常数[4]。涡街流量计工作原理如图1所示。
图1 涡街流量计工作原理示意图

图1 涡街流量计工作原理示意图
  涡街流量计用于流量测量时,只需要检测出涡街分离频率f即可通过公式①求出被测流体的速度,进而根据流体的截面积计算流体流量。

1.2、测量系统构成:
  流量计采用三角柱发生体,由于热敏式涡街流量计在雷诺数较低场合也有较好的计量特性,故流量计的传感器采用热敏电阻电桥,温度系数为负,旋涡发生体后排列的交替旋涡作用在加热后的热敏电阻上,成周期冷却而改变阻值,通过检测输出电压的变化而求得旋涡频率,把涡街分离频率转换成与频率对应的交变电信号[5]。
  嵌入式智能 涡 街 流 量 计 可 以 单 独 工 作,但 是 为 了 方 便 测量,提供了 CAN 通信接口,可与 带 有 CAN 采 集 卡 的 工 控 机连接进行数据通信,并将流量数据实时显示。嵌入式智能涡街流量计与测量系统构成如图2所示。热敏电阻电桥将流量信号转换为电信号,经过放大和滤波
图2 嵌入式智能涡街流量计与测量系统构成
图2 嵌入式智能涡街流量计与测量系统构成
处理后变成脉冲信号,给嵌入式处理器 LPC2129的 ADC接口,通过运算得到当前的流量信息,并实时在 LCD上显示出来,同时将流量信息通过 CAN总线发送到上位机进行处理。上位机测量应用程序采用 VC++6.0作为开发工具编写,在App中通过调用 CAN采集卡提供的7个数与智能流量计进行通信,主要接收通过 CAN总线发送来的数据,主机对这些数据处理后,将其在屏幕上直观显示出 来。数 据 库 开 发 软 件 采 用 Access2003,它采用当今流行的 ADO技术,在实时显示动态数据的同时将数据录入数据库相应的表里,以备在需要的时候分析处理查找或者历史数据再现显示,也可打印报表输出[6]。

2、涡街流量计信号处理电路:
涡街分离频率对应的交变电信号比较微弱,即便从检测元件输出的原始信号也非常微弱,为准确采集这个信号需要先对其进行处理后才能检测。设计了涡街流量计信号处理电路,主要功能是实现涡街分离信号的放大、滤波和整形,经过这些处理后,把检测元件输出的交变电信号转换成方波脉冲信号,再通过处理器的 ADC采集计算出涡街分离频率。

2.1、信号放大电路:
 涡街信号频率范围在0Hz到数百 Hz之间,但是在较低风速时涡街信号比较微弱需要采用较大的放大增益,而在较高风速时只需要相对较低的放大增益就可以实现信号检测,对涡街信号频率采取两段处理的方式,即把频率分为190Hz以下的低频和高于190Hz的高频部分,同时设置不同的放大增益来进行涡街信号处理,可使较低频率信号得到有效放大,而且较高频率的信号不会因为增益过大而出现饱和,使信号发生失真[7]
 信号处理电路中的放大电路包括两部分:预处理放大电路和高低频放大电路。预处理放大电路采用差分放大结构,由LM358运算放大器实现,对检测元件的输出信号进行预放大处理,如图3所示。由于电容C 的作用,其增益会随着信号频率的变化而进行微调,使检测元件的输出信号先进行增益较小的放大,其主要作用是为了实现检测元件与后续电路的阻抗匹配。放大电路的主要功能是由第二级高低频放大电路来完成的。
图	3	信号预处理放大电路

信号预处理放大电路
预处理放大电路的输出信号被分成两路,一路送入到 HF高频信号放大电路中,另一路送入到 LF 低频信号放大电路中。HF和LF放大电路采用完全相同的放大电路,通过反馈增益电路来实现不同的放大增益。由于低频时信号比较弱,所以LF电路的增益较高,为 HF电路的4.5倍,以提高涡街流量计的测量下限。通过放大电路处理后可把检测元件输出的交变信号放大到幅值合适的正弦波信号。
 
2.2 低通滤波与整形电路
 
低通滤波电路采用集成电容开关滤波芯片 MAX7400来实现。MAX7400为八阶低通椭圆函数滤波器,截止频率为1Hz~10KHz,其外围电路结构简单,只需要一个电容即可设置不同的截止频率,完全可以满足处理电路对滤波的要求。MAX7400的截止频率为时钟频率的1/100,而其时钟频率可通过一个外部电容来确定[8]。时钟频率的计算公式为:
38×1000
fCLK =
Cclk
  式中:fCLK 是时钟频率kHz,Cclk 为时钟引脚上的电容,pF。LF低频滤波电路的截止频率为190Hz,外接电容为2nF;HF高通滤波电路的截止频率为800Hz,外接电容为470pF。
  由于滤波电路输出的信号为正弦波信号,若直接送给处理器判断信号频率相对较复杂,而且如果存在其他干扰信号时,容易导致频率判断错误。为降低信号频率的判断难度,利用整形电路把正弦波信号转换成方波脉冲信号,简化了信号频率的判断难度,而且也可以在一定程度降低干扰信号对频率判断的影响。整形电路采用 LM393比较器来实现。LM393使用简单,只需要一个外部上拉电阻即可把低通滤波电路输出的正弦波信号转换成方波脉冲信号。由于涡街流量计的输出信号频率较低,因此整形电路采用LM393的典型应用电路即可满足设计要求。
 
3、实验结果与分析:
  在实验室环境下对设计的涡街流量计进行测量,将相同口径的标准流量计的输出口与设计的涡街流量计的输入口相连,用于记录通过的真实风速。将设计的智能流量计的CAN 总线接口与工控机的CAN口相连,启动测量App后,使通过流量计的风速从0开始不断增大,智能流量计会自动将时间、风速数据、比较器输出的FREQ_H 和FREQ_L信号频率等存储到数据库 ACCESS2003对应的表中,实验数据如下表1所示。
    实验数据  
               
               
风速 _/ _/   风速 _/ _/
             
FREQHHz FREQLHz FREQHHz FREQLHz
ms         ms    
    11.79 312 315
1.18 32     12.97 341 343
2.36 63     14.15 374 377
3.54 91     15.33 406 408
4.72 74 118     16.5 437 439
5.89 151 156     17.68 467 469
7.07 185 189     18.86 495 497
8.25 217 221     20.04 529 530
9.43 247 250     21.22 557 558
10.61 279 282     22.40 593 593

  由表1的数据可以看出,如果处理电路采用单一增益进行信号放大,则对小于3.54m/s的风速无法测量,而且在涡街频率小于190Hz时,低频高增益放大电路表现出更高的测量精度,在大于190Hz时,高频低增益放大电路则表现出较高。
图4 风速与频率的拟合曲线

图4 风速与频率的拟合曲线
  各风速下的频率增量基本都在30左右,变现出非常高的线性度和测量范围,有利于涡街流量计传感器的标定,只需通过两点标定的方式即可。
 
4、结束语:
  根据涡街流量计的旋涡发生信号的强弱区别,采用对高低频信号分别放大的方法设计了涡街流量计的信号处理电路,避免了信号失真。经试验证明,该智能流量计表现出了风速与输出的频率的良好线性关系,同时实现了风速小于1m/s的测量,不仅能够本地实时自动显示流量大小,而且具有与上位机通信的 CAN 总线接口,便于数据测量和记录。

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