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太原理工大学硕士研究生学位论文 低功耗智能涡街流量计的研制 摘要 涡街流量计，又称卡门旋涡流量计，具有结构简单、性能可靠、使用 寿命长、量程范围宽等优点，因此有着广泛的应用。本文讨论的就是受河 北宏业机械股份有限公司仪表研究所委托开发的“低功耗智能涡街流量计” 系统。 该系统主要包括涡街传感器信号采集电路和低功耗型转换显示电路两 部分。涡街传感器采用压电陶瓷制成，可感应旋涡发生体下游两侧交替发 生的涡列的横向推力，产生频率与流速成正比的交变电荷信号。涡街传感 器信号采集电路由电荷放大器、交流放大器、二阶低通滤波器和施密特整 形电路组成，将交变电荷信号转换成可供单片机采集的脉冲频率信号。针 对现有电路测量下限频率时仪表系数线性度差，标称的上限频率难以测到， “掉波”和“增波”现象时有发生的情况，我们做了大量实验，对存在的 问题进行定性和定量分析，将电路结构和阻容参数重新调整，新的电路不 但在小流量时能准确测量，频率上限也得到大幅提高，而且可以通过拨码 开关切换阻容参数使电路能适用于不同口径管道的液体、气体和饱和蒸汽 的测量。 转换显示电路以t i 超低功耗1 6 位混合信号处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 为控制 核心，对前置放大电路输出的涡街频率信号进行精确测量，转换、处理后 得到瞬时流量和累积流量，并通过双排l c d 直观地显示出来。同时电路集 成了温度检测功能，通过温度补偿实现饱和蒸汽的质量流量测量。对于仪 太原理工大学硕士研究生学位论文 表系数的非线性采用五段线性插值方法进行修正，大大提高了仪表测量的 精确度。外扩了非易失性铁电存储器作为累积流量的存储介质，通过定时 保存和掉电保存两种机制对重要数据进行保护。系统采用双电源供电，并 可实现内置电池和外部电源的自动切换。对电池电压实时监测。具有低电 报警和掉电保护等功能。重点设计人机交互界面，用户通过键盘可以设置 如流体密度、采样时间、流量上限、流量下限、仪表系数、补偿方式等浮 点型参数，并具有累积量清除功能。单片机用于涡街流量信号的处理与积 算，使本系统朝智能化方向又迈进一步。 硬件电路和系统程序均采用低功耗设计理念，充分利用单片机的低功 耗模式使c p u 尽长时间处于休眠状态，外围芯片均选用低电压、微功率并 可由单片机关断的器件，最终系统的整体静态功耗为2 5 6 心，动态峰值功 耗不超过6 0 0 “a ，一节3 6 w 5 4 a h 锂电池可以保证系统可靠工作2 5 年以 上。 通过试验，该低功耗智能涡街流量计系统运行可靠，工作稳定，流量 测量准确，操作方便，系统数据安全性和抗干扰能力强，达到了厂家要求 的技术指标。 关键词：涡街流量计，低功耗，测频，温度测量，m s p 4 3 0 ，人机界面 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l e p m e n to fl o v n p o w e r i n t e l l i g e n tv o r t e xs t r e e tf l o wm e t e r a b s t r a c t v o r t e xs t r e e tf l o wm e t e r , k n o w na sk a r m a n sw h i r l p o o lf l o wm e t e lw h i c h h a sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ；h i 【g hr e l i a b i l i t y , l o n gl i f ea n dw i d e m e a s u r i n gs c o p ee t e t h e r e f o r e ，i ta p p l i e sw i d e l y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t o fm e a s u r i n ga p p l i a n c er e s e a r c hi n s t i t u t ei nh e b e ih o n g y em a c h i n e r yc o ， t h i sd i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e s “l o wp o w e ri n t e l l i g e n tv o r t e xs t r e e tf l o wm e t e r s y s t e m t h i ss y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h ev o r t e xs e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t a n dt h el o wp o w e rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t t h ev o r t e xs e n s o ri sm a d e o ft h ep i e z o e l e c t r i c i t yc e r a m i c s ，w h i c hc a l li n d u c et h ev o r t e xs t r e e tl a t e r a lt h r u s t i t i sa b l et op r o d u c ea l t e r n a t i n ge l e c t r i cc h a r g es i g n a lt h a ti sp r o p o r t i o n a lt o v o r t e xf r e q u e n c y t h ev o r t e xs e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ti sc o m p o s e do f t h ee l e c t r i cc h a r g ea m p l i f i e r ，t h ea l t e r n a t i n g c u r r e n ta m p l i f i e r ，s e c o n do r d e r a c t i v el o w - p a s sf i l t e ra n dt h es c h m i t ts h a p e lw h i c ht r a n s f o r m st h ea l t e r n a t i n g e l e c t r i cc h a r g es i g n a li n t ot h ep u l s ef r e q u e n c ys i g n a l ，t h a tc a l lb ec a p t u r e db y m c u t h et r a d i t i o n a lc i r c u i th a sp o o rd i s c h a r g ec o e f f i c i e n tl i n e a r i t yw h e n m e a s u r i n gl o w e r - l i m i tf r e q u e n c ya n d i sh a r dt om e a s u r et h en o m i n a lu p p e rl i m i t f r e q u e n c y w ed i d al o to fe x p e r i m e n t sa n dm a d eq u a l i t a t i v ea n dt h e n l 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，r e a d j u s t e dt h ec i r c u i ts t r u c t u r e a n dr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c ep a r a m e t e r s n o wt h en e wc i r c u i tn o to n l yc a n m e a s u r ea c c u r a t e l yl o wf l o w ，b u th a sm u c hm o r ew i d e rp a s sb a n d m o r e o v e r , b ys e l e c t i n ga m p l i f i e r sc o e f f i c i e n t sa n dr e s i s t a n c e - c a p a c i t o rp a r a m e t e r sw i t h m u l t i p l e x e r , t h ec i r c u i tr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cg a i nc o n t r o lf u n c t i o na n dc a nb e u s e di na n yp i p e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra n dd i f f e r e n tf l u i dm e d i u ms u c ha s l i q u i d ，g a s ，s a t u r a t i o ns t e a m e t c t h ei n t e l l i g e n tv o r t e xf l o wm e t e rm a k e su s eo fn e w l yu l t r al o w - p o w e r m i x e d - s i g n a lm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9w h i c hh a sp o w e r f u lp r o c e s sf a c u l t y a n da b u n d a n tm o d u l e s ，a si t s i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g ，t r a n s f e r r i n ga n d p r o c e s s i n gu n i t i tw o r k so u ti n s t a n t a n e o u sd e l i v e r ya n dc u m u l a t i v ef l u xa n d d i s p l a y sb o t hb yl c d s i m u l t a n e o u s l yi tc a nm e a s u r et e m p e r a t u r ea n dr e a l i z e t h em a s sm e a s u r e m e n to fs a t u r a t e ds t e a mb yt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i n g i tu s e s f i v es e c t i o n so fl i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o dt or e v i s ea p p l i a n c ef l o wc o e f f i c i e n t ， t h u s ，t h em e a s u r i n ga c c u r a c yi n c r e a s e dg r e a t l y t h es y s t e mo u t s i d ee x p a n d e d n o n v o l a t i l ef e r r o e l e c t r i cr a n d o mm e m o r ya ss t o r a g em e d i u mf o rs i g n i f i c a n t i n f o r m a t i o ns u c ha sc u m u l a t i v ef l u x ，i ti sp r e s e r v e dw h e ni n t e r v a lt i m ee x p i r e d o rs y s t e mi sp o w e rd o w n t h ec i r c u i ta d o p t sd o u b l ep o w e rs o u r c es u p p l y , t h e s y s t e mc a l lb ep o w e r e db ye i t h e rb a t t e r yo re x t e r n a lp o w e rs u p p l y , a n ds w i t c h s a u t o m a t i c a l l y r e a l - t i m em o n i t o r i n gb a t t e r yv o l t a g e ，l o wp o w e ra l a r ma n d p o w e r - d o w np r o t e c t i o nm a k es y s t e mh a v eh i g h e rr e l i a b i l i t y t h ek e yd e s i g ni s m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e t h eu s e rc a nn o to n l ys e tf l o a tp a r a m e t e r s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 l i k el i q u i dd e n s i t y ，s a m p l i n gt i m e ，f l o wu p p e rl i m i t 、f l o wl o w e rl i m i t ，i n s t r u m e n t p a r a m e t e r , c o m p e n s a t e sm e t h o de t c ，b u ta l s oc a n c l e a rc u m u l a t i v ef l u xb y p a s s w o r d t h a tm c u i sa p p l i e di np r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i n gv o r t e xf l o ws i g n a l m a k e ss y s t e mm o r ei n t e l l e c t u a l i z e d h a r d w a r ec i r c u i ta n ds y s t e ms o f t w a r eb o t ha r e a d o p t i n gl o wp o w e rd e s i g n c o n c e p t m a k i n gc p uk e e ps l e e pa sl o n ga sp o s s i b l e t h ep e r i p h e r yc h i p sa l la r e l o wv o l t a g e ，m i c r op o w e ra n dc a nb es w i t c ho f fb ym c u t h eq u i e s c e n tp o w e r d i s s i p a t i o no ff i n a ls y s t e mi sl o w e rt h a n2 5 6 衅；t h ed y n a m i cp e a kp o w e r d i s s i p a t i o ni sb e l o w6 0 0 衅a3 6 v 5 4 a hl i t h i u mb a t t e r ym a yg u a r a n t e et h e s y s t e mw o r k sr e l i a b l ya b o v ef o r2 5y e a r s m a s s i v ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h el o wp o w e ri n t e l l i g e n tv o r t e xf l o w m e t e rr u n sr e l i a b l y , w o r ks t a b l y , m e a s u r e sc o r r e c t l y , o p e r a t e sc o n v e n i e n t l y , s y s t e md a t aa r es a f e t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yi sw e l l i ta c h i e v e dt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o no f m a n u f a c t o r y k e yw o r d s ：v o r t e xf l o wm e t e r , l o w - p o w e r , f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ， t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，m s p 4 3 0 ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索弓 表3 - 1 涡街传感器信号采集电路气体试验记录2 7 表4 - l 串行f r a m 和e 2 p r o m 性能比较( 1 6 k 位存储器，访问速度4 0 0 k i t z ) 3 8 表5 - 1l c m l 4 1 写命令格式4 8 表5 - 2l c m l 4 l 写数据格式4 8 表5 - 3l c m l 4 1 内存r a m 对应的显示笔段表。4 9 表5 - 4l c m l 4 1 显示数码编码4 9 表5 5f m 2 4 c l 0 4 从器件地址定义5 6 表5 - 6 不同管径时涡街流量计输出脉冲频率范围( 单位：h z ) 5 8 表5 7 频率实铡数据6 2 图1 - 1 卡门涡街示意图6 图2 - l 系统功能结构框图1 5 图3 - 1 涡街传感器结构1 9 图3 2 电荷放大电路2 0 图3 - 3 交流放大电路2 2 图3 4 二阶有源低通滤波电路2 4 图3 - 5 施密特整形电路2 5 图4 - 1 系统电源电路3 2 图4 - 2 桥式温度检测电路3 4 图4 - 3 掉电检测和电池电压监测电路3 6 图4 - 4 铁电存储器与m s p 4 3 0 单片机的接口电路3 8 图4 5l c m l 4 1 外型及封装尺寸3 9 图4 - 6 流量计面板贴膜4 l 图4 - 7 流量计面板电路机械图4 1 图4 - 8 键盘接口电路4 2 图4 - 9r s - - 4 8 5 接口电路4 3 图5 - 1 流量系数非线性补偿4 6 图5 - 2l c m l 4 1 写数据命令时序5 0 x 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5 3l c m l 4 l 连续写数据时序5 0 图5 - 4 系统掉电保护程序流程图5 6 图5 - 5 铁电存储器i 数据传输协议5 7 图5 - 6 瞬时流量和累积流量显示界面6 3 图5 - 7 涡街信号频率显示界面6 3 图5 - 8 温度值及铂热电阻阻值显示界面6 3 图5 9 补偿密度值显示界面6 3 图5 1 0 补偿方式选择界面6 4 图5 - 1 1 介质密度设定界面6 4 图5 一1 2 阻尼时间设定界面6 4 图5 一1 3 流量上限频率设置界面6 4 图5 一1 4 流量下限频率设置界面6 4 图5 1 5 流量系数补偿第1 点频率设置界面6 5 图5 1 6 第一段流量系数设置界面6 5 图5 一1 7 流量系数补偿第2 点频率设置界面6 5 图5 1 8 第二段流量系数设置界面6 5 图5 一1 9 流量系数补偿第3 点频率设置界面6 5 图5 2 0 第三段流量系数设置界面6 6 图5 2 l 流量系数补偿第4 点频率设置界面6 6 图5 2 2 第四段流量系数设置界面6 6 图5 - 2 3 流量系数补偿第5 点频率设置界面6 6 图5 - 2 4 第五段流量系数设置界面6 6 图5 - 2 5 累积量清0 密码输入界面6 7 图5 - 2 6 主程序初始化流程图6 8 图5 2 7 主程序流程图7 0 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑型 日期： 纠岁知 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名：盔壅基 日期： 丝! 至：二 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1流量计量与仪表 第一章绪论 1 1 1 流量计量的意义 计量是工业生产的眼睛流量计量是计量科学技术的重要组成部分，它与国民经济、 国防建设、科学研究有着密切的关系。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域， 流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产 过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、 提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。 在能源计量中，使用了大量的流量计，例如石油工业，从石油开采、储运、炼制直 到贸易销售，任何一个环节都离不开流量计。 在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然 气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量 计涉及到的结算金额数字巨大，对测量准确度和可靠性要求特别高。除此之外，在煤气、 成品油、液化石油气、蒸汽、压缩空气、氧气、氮气、水的计量中，也要使用大量的流 量计，其中很大一部分用于贸易结算，计量准确度需满足国家的有关标准，这对流量测 量提出了很高的要求。只有做到准确测量，才能做到“节能有数，耗能有据”。 在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须 对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源 和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以 百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。 在科学试验领域，种类繁多的流量计提供了大量的实验数据。这一领域中使用的流 量计特殊性更多，其中流体的高温、高压、高黏度以及变组分、脉动流和微小流量等都 是经常要面对的测量对象。 流量测量是一门复杂、多样的技术。人们对测量精确度的要求越来越高，而且测量 对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到极低温的温 度范围，从高压到低压的压力范围，既有低黏度的液体，也有黏度非常高的液体，而流 量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而 太原理工大学硕士研究生学像论文 脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性另一方面，这种复杂性和多样性促进了人 们对流量测量仪表的应用研究。 1 1 2 流量计的类型 测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。流量计是工业测量中重要的仪表之 一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术 日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计 已超过1 0 0 种。按流量计采用的测量原理和结构可以分为以下几类“1 ： 1 容积式流量计 容积流量计又称为定排量流量计，是一种广泛应用于测量石油类流体、饮料类流体、 气体以及水流量的流量计。容积流量计式是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成 单个已知体积，并进行重复不断地充满和排放该体积部分的流体而累加计量出流体总量 的流量仪表。它的主要优点为：测量准确度高、安装管道条件对流量计的计量精度没有 影响、可用于高粘度液体的流量测量、测量范围较宽( 典型的测量范围为5 ：1 到1 0 ：1 ) 。 其缺点为：机械结构较复杂、体积庞大，被测介质的种类、口径、介质工作状态等的适 应性不够宽，大部分容积流量计只适用于洁净单相流体，部分形式的仪表在测量过程中 会给流动带来脉动，甚至使管道产生振动。 2 叶轮式流量计 叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以 叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构 可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差 约2 ，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。电脉 冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为0 2 o 5 3 差压式流量计( 变压降式流量计) 差压式流量计是一种用节流装置或其它差压检测元件( 如测速管) 与差压计配套使 用来测量流量的仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根 关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量 积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久， 比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的7 0 发 电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 电磁流量计 电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大 小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。 工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2 m ，而且压损极小。但导 电率低的介质，如气体、蒸汽等贝f j 不能应用。电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场 干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发 展 5 超声波流量计 - 超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和 声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流 量计虽然在7 0 年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动 进行开e l 流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途 的流量计。 6 质量流量计 流量测量的最终目的是质量流量测量。质量流量的测量方法可分为间接法和直接 法。所谓间接法，就是分别测量体积流量、温度、压力，然后根据这些数值，使用流量 运算器等进行密度补偿，求出质量流量。直接法与此相反，利用与质量流量直接有关的 原理进行质量流量测量。直接法不存在密度补偿运算误差这一问题，因而人们更加喜欢 它。 7 涡街流量计 涡街流量计和涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计一样都是以测量流体流速来 得到流体流量的流量计，它们均属于速度式流量计涡街流量计是采用在流体中安装迎 流面为钝体的柱体。利用检测在柱体下游有规则的产生的旋涡的频率得到流体流速进而 得到流量。它具有量程范围宽、无机械可动部件、压力损夫小等优点，此外，测量流量 几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，测量精度较高。已经成为流量测 量仪表家庭中不可缺少的一员，在计量检测中发挥着越来越大的作用。 1 2 涡街流量计的概况 1 2 1 国内外研究动态 太原理t 大学硕十研究生学位论文 早在1 8 7 8 年斯特劳哈( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章， 斯特劳哈数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。涡街流量计是 在流体中安放一根( 或多根) 非流线型阻流体( b l u f f b o d y ) ，流体在阻流体两侧交替地分 离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率下比于管道内的平均流 速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。 7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量 计，并大量生产投放市场。我国涡街流量计的生产亦有飞速发展，到目前为止全国生产 厂已多达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。涡街流量计己跻身通用流量计之列， 无论国内外皆已开发出多品种、全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视， 我国早在8 0 年代就制订了涡街流量计专业标准( z b n1 2 0 0 8 - 8 9 ) 和检定规程j j g 6 2 0 - 8 9 。 专业标准于1 9 9 8 年进行了修订，改变为j b t9 2 4 9 - 1 9 9 9 检定规程则与其他速度式流 量计的检定规程合并为一个新的检定规程j j g l 9 8 9 4 。国外对涡街流量计标准制订亦很 重视，9 0 年代初国际标准化组织( i s o ) 即成立起草工作组起草涡街流量计国际标准，1 9 9 3 年提出委员会草案( i s o i c d1 2 7 6 4 ) ，至1 9 9 7 年颁布为技术报告( i s o t r1 2 7 6 4 ：1 9 9 7 ) 。 由于种种原因i s o 把不宜作为国际标准的一些文件列为技术报告，例如得不到足够支持 率的文件，技术尚在发展还不够成熟或作为参考资料提供等等，看来涡街流量计文件还 不足够成熟，暂时尚不能作为国际标准发布。工业发达国家如美、日皆制订有涡街流量 计国家标准( a s m e i a n s im f c - 6 m - 1 9 8 7 和j i s2 8 7 6 6 - 1 9 8 9 ) d 1 。 目前，将涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题：一是抑制流场噪声的 影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元 件的检测效果也有直接影响。附加的旋涡干扰了涡街信号，降低了信噪比；二是准确测 量小流量，因为小流量所产生的横向升力较小，检测信号非常微弱，易受流体冲击振动 噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小流量不 能测量。 针对这些不足，国内外研究者做了大量的工作。国外专家为了抑制涡街流量计的管 道噪声、阀门振动噪声和高频气流噪声，在信号处理方面采取了两个措施：一是增加了 噪声鉴别功能，当信号点低于噪声极限时，就将信号截止；二是用有源模拟滤波器，根 据信号的频率来调整滤波器的截止频率这样实质上是通过限制量程比来抑制噪声的。 理论上涡街流量计的量程比为1 0 0 ：1 ，而目前大多为1 0 ：1 或更小。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 最近几年，随着各类高档智能处理器的广泛应用，涡街流量计有了新的发展局面： 1 基于d s p 高性能高档智能型涡街流量计 这类流量计主要是利用数字信号处理技术对涡街流量传感器信号进行软件滤波。长 期以来，如何提取潜在噪声下的涡街流量信号一直是个问题。流体流速脉动，局部阻力， 随机振动及电磁场干扰所有这此因素都给解决这一问题带来难度。一旦这些问题能 够有效解决，涡街流量传感器的测量下限将大幅度扩展。现在很多研究机构已经在尝试 各种数字滤波技术来解决这一问题，比如短时傅里叶变换、谱分析们、基于b u r g 的极 大嫡方法、自适应陷波方法、子波变化御以及小波分析翰的方法等。这些方法现在大多 数处于理论研究或实验阶段，如果能够成功应用，可以有效地滤除噪声，提高频率测量 的精度。但为了保证测量的实时性，需要具有高速浮点运算能力的d s p 处理器做硬件 支持，这类涡街流量计属于高档智能型仪表，在提升精度的同时牺牲了成本和功耗的优 势。 2 基于微功耗单片机的涡街流量计“” 基于m s p 4 3 0 的涡街流量计，信号输出可以有多种形式，可以是电池供电下的脉冲 输出、2 4 v d c 下的4 2 0 m a 电流输出、就地l c d 显示、远程通讯等。这类流量计， 除前向通道外，主要采用基于m s p 4 3 0 系列单片机的数字电路，m s p 4 3 0 功耗t 氐( 3 v 下 约1 m w ) 外，并有较高的硬件集成度，如l c d 驱动电路( 可简化数字显示电路设计) ， a d 转换( 可以增加涡街流量计的温度和压力补偿) 、看门狗电路，电压比较器( 可以用 作电源监测) ，d a 变换( 只需扩展w i 变换芯片即可输出4 2 0 m a 电流信号) ，串行通 信模块等，同时，通过软件可以进行面板参数设定、非线性数据处理、振动体的振动信 号抑制等，另外还增加了通讯能力。因此，由m s p 4 3 0 构成的涡街流量计，具有很好的 性能价格比，是一个较好的智能型换代产品 1 2 2 涡街流量计的测量原理 1 2 2 。1 卡门涡街 涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。即在流动的流体中 放置一个非流线型的对称形状的物体( 涡街流量传感器中称之为旋涡发生体) ，就会在 其下流两侧产生两列有规律的旋涡即卡门涡街，其旋涡频率正比于来流速度。如图1 1 所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为被测介质来 太原理- 丁火学硕+ 研究生学位论文 流的平均速度为n 旋涡发生体迎面宽度为d 表体通径为d 。根据卡门涡街原理，有 如下关系式： ，书鼍- s t 南 删一笔府“n 弋翻 式中户一旋涡发生频率，h z ： h 旋涡发生体两侧平均流速，m s ； 墨昕特劳哈数( 无量纲) ； ，卜一旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 管壁 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 压电应力检测体 目卜1 卡n 涡街示意目 f i g 1 - 1k a r m a n 。sv o l t e xs t r e e t s 的值与旋涡发生体宽度d 和雷诺数尼有关。当雷诺数r 。 2 x 1 0 4 情况下，s 为变 数：当足在2 x 1 0 4 7 1 0 6 的范围内，蜀值基本上保持不变，这段范围为流量计的基本 测量范卧1 2 1 。公式1 - - 1 表明，当d 和昌为定值时，旋涡产生的频率，与流体的平均流 速v 成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。涡街传感器所测的并不是平均流速，而 大约是旋涡发生体两侧的流速“”。对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不 同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要 反映旋涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传 感器的非线性误差是其检测机理所决定的。管道内体积流量q 为： q = 孕= 警 c - 叫 x 舌嘉 c 一 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 式e p 卜流量计的仪表常数，脉冲数，m 3 ( v i m 3 ) 。 仪表常数足除了与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈数有关。当 管道尺寸和旋涡发生体尺寸一定时，d 为常数，昌数与雷诺数尼成函数关系。大量试验 证明，几何形状相同的旋涡发生体，无论尺寸大小，只要在相似的流场中( 雷诺系数疋 相等) ，就具有相同的s 数值。 旋涡发生体下游两侧交替发生的涡列会在发生体或检测元件上产生交替的横向推 力，因此，测出由此引起的交变应力的频率也就等于检测到了旋涡脱落频率。用来感受 交变应力的敏感元件可以是应变片，也可以是压电晶体、压电陶瓷或其他类型的元件， 由于压电元件具有输出信号大、损耗小、响应快、耐温高和机械强度大等优点，故已普 遍应用于涡街流量计。 1 2 2 2 影响仪表常数k 的因素 仪表系数k 反映了在一定雷诺数范围内，体积流量q 与旋涡分离频率，的线性关系。 流量计的测量精度，就是看其在流量下限和流量上限之间，仪表系数譬的线性误差是 否能保持在l 范围内。但是仪表系数受多种因素影响呈现一定的非线性，所以要对仪 表系数进行非线性补偿，以保证各频段内仪表常数的线性误差最小。即将流量计的带宽 频率分成若干段，各段采用能保证测量精度的不同仪表系数，各段仪表系数根据现场校 验情况人工置入。 仪表系数k 受到以下几个因素的影响“： 1 流速和粘度的变化：工业管道中绝大多数流体的冠均大于2 x 1 0 4 ，但是如果由 于某种原因使流体流速v 降低或运动粘度t 升高，都会导致r 下降。当见低于2 x 1 0 4 时，足值发生较大的变化，出现非线性误差。可在仪表选型上通过选用较小的管径提 高流速以提高忍来解决。 2 堆积：如果被测流体中存在粘性颗粒物质或夹杂较多纤维状物质，则可能会逐 渐堆积在旋涡发生体上，使其几何尺寸发生变化，因而仪表系数k 也随之变化，旋涡 的形成将受到影响，产生测量误差。为减少这个误差，在条件允许的情况下，可定期 清除堆积在旋涡发生体上的堆积物，或者对被测流体进行预处理。 3 磨损：如果三角柱发生体两棱边因某种被测流体作用而受到磨损，同样会使仪 表系数k 发生变化在某些场合，可以通过选择合适的柱体材质使这一误差减至最小。 4 温度变化：仪表系数k 通常是在常温( 约2 0 。c ) 下标定的，如果被测流体的温度 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 较高或较低，与常温相差较大，由于热胀冷缩会使仪表体和旋涡发生体的几何尺寸发 生变化，造成流通面积变化而引起附加误差，因此仪表系数k 必须进行补偿校正。 5 配管内径：安装流量仪表的配管内径一般应等于或略大于流量仪表的内径。如 果配管的实际内径略小于流量仪表内( 3 以f 1 ) ，虽然不会对仪表本身所固有的k 值造 成影响，但却因流通面积突变引起表观流速变化而可能产生附加测量误差，这可通过 修正系数而来补偿，修正系数的表达式为： 昂= ( 笥 c - 嘲 d i 为仪表的实际内径；岛为配管实际内径。经过修正后的仪表系数k 根据公式( 1 - 6 ) 求得。 j 岛= 而x k ( 1 - - 6 ) 1 2 3 涡街流量计的特点和适用性 一、特点“”： 1 由于旋涡频率与流体流速成线性的单值函数关系，当流体流动状态雷诺系数足 大于临界雷诺系数的条件，输出频率信号不受流体物性( 密度、粘度、组分等) 的影响， 即仪表系数仅与旋涡发生体形状有关，而旋涡发生器的几何尺寸是不变的，这就使得 涡街流量计能广泛地应用于不同流体流量的测量上，在其仪表常数不变的情况下测量 精度不变。 2 涡街流量计原理基于卡门涡街定律，频率的测量易于实现数字化与智能化，使 得测量精度大大的提高。涡街流量计的重复性误差 o 2 ，非线性误差 l ，如果我们 用智能化二次仪表处理涡街信号，可将非线性误差大大减少，能满足于 o 5 的水平。 3 涡街流量计的挡体占流体流通面积很小，因此节流损失小，况且挡体固定不动， 这样仪表本身无可动部件，安装方便维护量极小，而且性能可靠，使用寿命长。 4 适用流体种类多，可以测量液体、气体、蒸汽及部分多相流体的流量。 5 涡街流量计的测量范围宽，量程比一般可做到1 ：1 0 ，甚至于可达到l ：2 0 ，这 是其它仪表不易达到的水平。 6 基于流束场理论，涡街产生必须在稳定流束场内，因此涡街流量计同节流式流 量计一样，必须有严格的直管段要求。这就使流量计要在严格的技术条件下进行安装， 太原理工大学硕士研究生学位论文 这是使用好涡街流量计的关键。 二、适用性： 1 涡街流量计不适用于测量低雷诺系数( r e 2 4 v 时才能有效捕获， 故取匕。= 2 4 v ，m = 0 v ，v = v c c 2 。通过调节电阻r 1 4 的阻值，便可以改变回 差电压的宽度，以使前级输出的有效信号峰值大于回差，被衰减掉的高频干扰信号峰值 小于回差，达到整形滤波的目的。 施密特整形器为前置放大电路的末级，其输出的频率信号直接送给显示积算单元， 也可能通过电缆送给二次仪表处理，故使用t v s ( 瞬态电压抑制器) 二极管z 5 、z 6 做 e s d