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新型涡街流量计信号处理方法振动频率与流体流速之间的关系

时间:2018/04/15来源:未知

摘要:目前高性能的涡街流量计基本被国外产品所垄断,其主要原因是国内涡街流量计信号处理方法与技术上大大落后于国际水平,产品的量程比低。对此设计了一种新型的涡街流量计信号处理方法。对信噪比高的高频涡街信号运用现有的模拟电路处理,在低流速时采用数字滤波器代替,结合整系数滤波的方法,拓宽了整个涡街流量计的量程比,并进行实验验证,具有针对性和可行性。

涡街流量计的振动频率与流体流速之间的关系为:
        f=(St×ν) / d (1)
        其中:St为斯特劳哈尔数,f 为振动频率,v 为流体流速,d 为漩涡发生体宽度。涡街流量信号的输出幅度由涡街流量计的管道直径、流体密度和流速所决定。对于应力式测量方式,在一定的管径下,涡街正弦信号的幅值A、密度ρ 和平均流速ν 存在下述关系:
        A∝ρν2 (2)
        因此,可以得到结论,当流体密度不变时,信号幅值则正比于流速的平方,即正比于频率的平方。通过以上关系的总结可以发现,涡街信号在小流量时(信号未饱和),由于信号频率降低,幅值的减小量会很大,涡街信号就会更加微弱。这正是涡街信号处理中的难点所在。

1 新型信号处理系统的提出
         目前国内一般涡街流量计产品采用的是传统模拟信号处理方法。信号滤波部分均由纯模拟电路组成,涡街信号经前置放大及滤波处理后,通过施密特触发器的阈值比较后输出方波信号,进一步处理可得当前流速。此方法具有结构简便,响应速度快等优点。但对低流速状态,由于信噪比严重下降,采取简单的高倍放大、固定带宽频率滤波器处理的方法容易使触发电路产生误触发情况, 这直接导致测量精度降低, 系统精度和重复性的下降。基于此方法在低流速测量中存在的瓶颈,许多厂商放弃了对低频信号的处理,这样降低了仪表的量程比,削弱了产品的竞争性,同时也制约了国内涡街流量计高性能方向的发展。本文提出了一种分高低流速通道的涡街流量计信号处理方案,即考虑在信噪比高的频段采用传统模拟滤波方式,而在低流速段采用数字滤波方式代替模拟滤波。它能将基于数字滤波的涡街信号处理方法和传统涡街信号处理方法有效结合, 取各自之长,补各自之短,使其更高效地用于各自擅长的流速段,既能在低流速段最大化发挥数字滤波方法的优势, 又能在高流速段用传统方法处理涡街信号, 有效地满足涡街流量计在整个流量测量范围内的性能要求。系统框图如图1 所示。

分高低流速通道涡街信号处理系统框图

2 低流速通道数字滤波方案设计
          在设计低流速通道核心的频率分析部分时, 需要注意涡街信号的特点、滤波器模型的系数及滤波器个数的问题。以50mm口径为例,对实际涡街信号进行观测,可得频率与其对应的幅值存在的关系。实际上, 单片机的输出电压存在一个饱和值,以MSP430 单片机为例,为3.3V。将y=3.3V 代入得出信号频率x为12.5Hz, 即2~12.5Hz 范围内的信号处于未饱和状态, 而12.5Hz 以上的信号已经饱和,此时的信噪比高,可以通过高频通道的模拟滤波进行处理。

综合考虑频段宽度及运算速度,将50mm 口径涡街信号频率分为4 个频段,如表1。

频段分布表

前期处理过的低频段涡街信号,经A/D 采样后以数字信号形式传入单片机,在分频段滤波模块中,输入的涡街信号被分离成有用信号和噪声信号。有用信号进入之后的阈值比较模块,根据预先设置好的阈值将正弦波转换为方波信号, 通过分析计算得到实际涡街信号频率,并输出该频率值,确定当前流量。数字滤波方案设计框图如图2 所示。

涡街流量计数字滤波方案设计框图

2.1 数字滤波器模型
由于相邻频段之间的频率都存在着2 倍关系,采用滤波模型改变,采样频率不变的方式,将相邻频段的采样频率设置为2 倍关系即可。二阶低通模拟滤波器的数学模型可以写成以下形式:QQ截图20160922094335.jpg

QQ截图20160922094437.jpg

2.2 Matlab 仿真
在实验室环境下,测得50mm 口径管道液体涡街流量计工作在不含泵振动,流速为0.49 条件下,传感器信号经放大后的输出波形如图3a。使用0.5sin(2π·5t)+0.5sin(2π·50t)对输出信号进行模拟。Matlab 仿真波形如图3b。

通过与实际涡街信号输出波形对比发现, 除去高频毛刺的干扰,仿真的输出波形与实际波形相似度极高。因此可以使用合成的正弦波模拟实际涡街信号。利用MATLAB 仿真App进行系统构建,同时通过仿真进行验证。

实际上,由于并非理想滤波器,只是对当前频段外的频率有相应的衰减,因此在相邻频段也会有幅值减小的信号输出。图5为采集通过数字滤波器组之后的信号波形。可以看到5Hz 的频率信号以第二频段幅值最高,波形最清晰。此外,由于幅值衰减,第一、三频段几乎看不到有信号输出,这也为后级的阈值比较模块提供了便利。

3 信号处理系统实现
        在实际应用中,流速的变化是一个相对缓慢的过程, 很少发生突变的情况。如果一直采取针对全频段进行扫描滤波的方式,会耗费很长时间。因此,本文设计了高低流速通道切换的方案:在第一次判断出存在涡街信号并确定频段之后,若为高频信号,则启用高流速通道模拟滤波;若为低频信号,则启动低流速通道动态扫描滤波模式。具体频段切换方案设计如图6。
        初始信号经过高流速通道后有信号输出,则可以通过模拟滤波方式进行信号处理,脉冲计数得到最终涡街频率;若高流速通道无信号输出,则低流速通道开始AD 采样,经过分频段滤波及阈值比较模块处理之后, 可以判断当前是否有涡街信号存在并判断当前所处频段,输入经过数据处理转化为方波持续输出。此时,系统才会进入后续的动态扫描滤波。动态扫描滤波将根据流速变化的趋势,确定新的当前所处频段并继续进行数字滤波。动态扫描滤波阶段主要处理频段的切换问题。由于低流速通道内只有三个频段, 因此动态滤波只需逐一扫描各个频段确定当前涡街信号所处频段即可。对于频段间的相交区域,处理原则是避免频繁的频率切换,动态滤波将优先选择当前频段。如果当前频段无法检测到涡街信号,如输入有高频信号或存在信号突变时,那么将返回低流速通道进行重新扫描。若依旧不存在涡街信号,则程序将返回高流速通道进行重新处理。这种扫描滤波方案使数字滤波器整体的滤波效率得到了提高。

4 实验结果分析
         对于高流速通道, 图7a 上方为经前置放大后输出的波形,由于采用示波器交流档,波形存在一定的畸变,但此时因为信号频率点较大,信号的幅值也已经较大,信号信噪比已较高;图7a下方为经过高流速通道滤波输出之后的波形,此时信号已饱和。对于低流速通道, 使用信号发生器模拟不含振动的涡街信号,输入信号0.5sin(2π·5·t)+0.5sin(2π·50·t)。信号通过分频段滤波模块之后,各频段滤波器输出波形如图7b 所示。可以看出,实际的滤波器输出波形和MATLAB 仿真基本一致。输入的50Hz 正弦波信号并没有出现, 不会被判断为有用信号; 对于5Hz 的有用信号,可以很明显的在第二频段看到,而由于幅值衰减,第一、三频段几乎看不到有信号输出,结合后级的阈值比较环节,噪声能基本消除。
             随机选取某个频率值进行精度测试,输出结果见表2。

由实验数据可以计算分析得出, 平均误差Ea=0.08294%;最大误差Em=0.2%(2Hz)。目前国内的涡街流量计精度,普遍在1.5%左右,高端的则可以达到1%以内。
 

  (1)自DN20起以上各规格:均采用表体与三角柱一次铸造完成,减少了测量孔因焊接三角柱而产生的变形,提高涡街信号的稳定性。
 
  (2)自DN40起以上各规格均采用内置式结构,即将测量探头镶入三角柱内。国内只有少量的是大口径采用此结构,虽然增加了工艺难度,但却大大提高了产品的抗干扰能力。
 
  (3)涡街信号的转换采用数字信号处理技术(DSP)突破了传统的模拟方法处理涡街信号的局限性,提高了涡街信号的检测灵敏度,加强了涡街流量计的抗震性能。
 
  (4)由于采用了上述结构和数字信号处理技术,使得流量计的量程大大扩宽。一般情况下可达1:10 ~1:20,主要表现在下限流速明显降低,通常为普通涡街流量计的 1/4—1/2.
 
  (5)在规定的条件下,使用产品的技术性能和质量已达到或接近了国外先进涡街流量计的水平。
 
  JCLUGB智能涡街流量计具有无可动部件、测量范围度大、介质适应性广、测量精度高、检定周期长、传输信号距离远、压力损失小、结构简单、运行可靠、使用寿命长、安装维护方便等许多显著优点。可广泛应用于石油化工、治金机械、食品、造纸,以及城市管道供热、供水、煤气等行业的各种液体、气体、蒸气等单相流体的工艺计量和节能管理。
 
  ·无可动部件,长期稳定,结构简单便于安装和维护;
 
  ·采用消扰电路和抗振动传感头,具有一定抗环境振动性能;
 
  ·采用超低功耗单片微机技术,1节3.2V10AH锂电池可使用5年以上;
 
  ·由App对仪表系数非线性进行修正,提高测量精度;
 
  ·压力损失小,量程范围宽;
 
  ·采用EEPROM对累积流量进行掉电保护,保护时间大于10年;
 
  b、用途:
 
  本仪表可广泛用于大、中、小型各种管道给排水、工业循环、污水处理,油类及化学试剂以及压缩空气、饱和及过热蒸汽、天然气及各种介质流量的计量。
 
  无线远传涡街流量计技术参数:
 
  测量介质:空气、煤气、蒸汽、废气等气体和水等
 
  介质粘度:小于10cp
 
  介质温度:-50℃——+400℃
 
  本体材料:1Cr18Ni9Ti(其他材料协议供货)
 
  传感器密封:石墨垫片
 
  环境温度:-30℃——+80℃(特殊根据要求)
 
  公称直径:DN15——DN300
 
  测量精度:  液体:测量值的±1%(普通),测量值的±0.5%(特 殊)
 
  气体:测量值的±1%
 
  量程比:20:1
 
  压力等级:PN2.5,PN40(高压可特殊制造)
 
  连接方式:夹持式: DN15--DN150
 
  法兰式: DN15--DN300
 
  流量范围:见说明书附表
 
  防护等级:IP67
 
  转换器壳体:压铸铝,上漆
 
  供电电压:12——36VDC
 
  输出信号:两线制4--20mA电流输出
 
  可编程脉冲输出
 
  传感器涡街频率输出
 
  工作原理:
 
  涡街流量计的工作原理:是由设计在流场中的旋涡发生体、检测探头及相应的电子线路等组成。当流体流经旋涡发生体时,它的两侧就形成了交替变化的两排旋涡,这种旋涡被称为卡门涡街。斯特罗哈尔在卡门涡街理论的基础上又提出了卡门涡街的频率与流体的流速成正比,并给出了频率与流速的关系式:
 
  f = St × V/d    式中:
 
  f 涡街发生频率 (Hz)
 
  V 旋涡发生体两侧的平均流速(m/s )
 
  St 斯特罗哈尔系数(常数)
 
  这些交替变化的旋涡就形成了一系列交替变化的负压力,该压力作用在检测探头上,便产生一系列交变电信号,经过前置放大器转换、整形、放大处理后,输出与旋涡同步成正比的脉冲频率信号(或标准信号)。

 

5 结束语
本文低频段数字滤波实验是利用信号发生器产生的标准波型进行方案验证,理论上可以达到涡街流量计的精度要求,但在实际应用中有待进一步验证。


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