（检测技术与自动化装置专业论文）差压式涡街质量流量计信号处理系统的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流量计，由于它具有其他流量计 不可兼得的优点，目前已广泛应用于各个领域。质量流量的测量是过程参数检测 技术的一个难点和热点问题。本文在常规涡街流量计研究的基础上，根据旋涡脱 落的基本特性，在管壁上安装差压传感器，研制了一种利用差压原理直接测量质 量流量的流量计信号处理系统。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对流量测量特别是质量流量测量作了简要概述，并对涡街流量计的特点 及国内外的研究现状作了详尽的论述。介绍了差压式涡街质量流量计的 测量原理，分析了该方法的特点及实现的技术难点。 ( 2 ) 完成了差压式涡街质量流量计的硬件设计。根据差压检测原理的特点， 设计了信号分离电路、程控放大电路和自适应滤波电路。整个硬件系统 还包括单片机系统、通信模块和电源模块等。 ( 3 ) 完成了差压式涡街质量流量计的软件设计。在分析涡街信号特点的基础 上，用功率谱方法来处理信号。并在m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机上实现了f f t 谱分析法、频谱校正算法和自适应滤波算法，实现了涡街频率的准确提 取。 ( 4 ) 对差压式涡街质量流量计信号处理系统进行了标定，结果表明，本系统 实现了质量流量和体积流量的多参数测量。通过实验，分析了系统测量 时产生误差的主要原因及涡街流量计安装方式对测量结果的影响。 本文的创新之处在于设计了一种信号分离电路，从而实现了采用单个传感器 测量流体多个参数：采用程控放大和自适应滤波技术，提高了系统的抗干扰能力 和通用性；采用单片机实现了流量信号的f f r 功率谱分析，提高了涡街频率提取 的准确度。 关键词：涡街流量计，质量流量测量，差压，频谱分析。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t v o r t e xf l o w m e t e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so fk a r m a nv o r t e xs t r e e tp r i n c i p l e i ti s c u r r e n t l yw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d sb e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e st h a tc a r ln o tb e i n s t e a do f i a s sf l o w r a t em e a s u r e m e n ti sad i f f i c u l tb u tp o p u l a ri s s u r ei ni n d u s t r i a l p r o c e s sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lv o r t e xf l o w m e t e ra n dt h e f e a t u r eo fv o r t e xs h e d d i n g ，an e wm a s sf l o wm e t e rw a sd e v e l o p e du s i n gd i f f e r e n t i a l p r e s s u r es e n s o rt od e t e c tt h ev o r t e xs i g n a li nt h et h e s i s t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l y f o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) f l o wm e a s u r e m e n t se s p e c i a l l ym a s sf l o wr a t em e a s u r e m e n t sw e r eb r i e f l y s u m m a r i z e d ，a n dv o r t e xf l o w m e t e re s p e c i a l l yf o rt h em a s sf l o wr a t e m e a s u r e m e n t w e r e d e t a i l e d d i s c u s s e d t h e n , t h e p r i n c i p l e o f d i f f e r e n t i a l - p r e s s u r eb a s e dv o r t e xf l o wm e t e rf o rm a s sf l o w r a t em e a s u r e m e n t w a sp r e s e n t e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f i c u l t i e so ft h i sm e t h o dw e l e a n a l y z e d ( 2 ) 弧eh a r d w a r eo ft h em a s sf l o wm e t e rw a sd e s i g n e d b a s e do l lt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n t i f l p r e s s u r em e a s u r e m e n ts i g n a ls e p a r a t i n g c i r c u i t , p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i c a t i o na n dp r o g r a m m a b l ef i l t e r i n gc i r c u i t w a sd e s i g n e d t h eh a r d w a r es y s t e ma l s oi n c l u d e s ：m i c r o - p r o c e s s o rm o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e r s y s t e mm o d u l e ( 3 ) t h es o f t w a r eo ft h em a 嚣f l o wm e t e rw a sd e s i g n e d b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev o r t e xs i g n a lt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m w a su s e dt od e a lw i t ht h ev o r t e xs i g n a l i t sa c c u r a c yf o rv o r t e xf i e q u e n c y m e a s u r e m e n tw a si m p r o v e db yf r e q u e n c ys p e 咖ic o r r e c t i o na n da d a p t i v e f i l t e r i n gw h i c hw a sd e s i g n e do i lm s p 4 3 0 f 1 6 1 1p r o c e s s o r ( 4 ) m r e s u l to ft h ed e m a r c a t i n go ft h es y s t e ms h o w st h a t , t h en l a s sf l o wm e t e r c o u l dm e a s u r em u i t i - p a r m n e t e ro ft h ef l o w , i n c l u d i n gt h em a s sf l o wr a t ea n d t h ev o l u m ef l o w 触e x p e r i m e n t sw e a r ce a m e do u tt os l u d y0 1 1t h e p e r f o r m a n c eo ft h em a s sf l o wm e t e r a n dt h ei n f l u e n c eo fh o r i z o n t a la n d v e r t i c a la s s e m b l ep a t t e r n so nt h em e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c eo fv o r t e x f l o w m e t e rw a si n v e s t i g a t e d 一一坚奎竺堡圭兰垡篷苎 t h ei n n o v a t i o ni nt h i st h e s i si sl i s tb e l o w ：t h em u l t i p 煳e t e ro ft h ef i o w w a sd e t e c t e db yd e s i g n i n gas i g n a ls e p a r a t i n gc i r c u i t ；t h i sm a s sf l o wm e t c rh a d s t r o n ga n t i - n o i s ea b i l i t ya n dw i d ea p p l i c a b i l i t yb ya d o p t i n gp r o g r a m m a b l eg a i n a m p l i f i c a t i o na n da d a p t i v ef i l t e r i n gt e c h n i q u e ；i t sa c c u r a c yf o rv o r t e xf r e q u e n c y m e a s u r e m e n tw a si m p r o v e db yt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mt od e a l 、v i m t h ev o r t e xs i g n a l k e y w o r d s ：v o r t e xf l o w m e t e r ，m a s sf l o w r a t em e a s u r e m e n t ，d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ， s i g n a ls p e c t r a la n a l y s i s 浙江丈学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 流量计量是计量科学技术的一部分，它对石油、化工、能源等工业领域的 发展具有十分重要的作用。在当今工业生产自动化程度越来越高的时代，流量计 在国民经济中的地位和作用越来越明显。流量测量的主要任务有两类：其一为流 体物资贸易核算储运管理和污水废气摊放控制的总量计算；其二为流程工业提高 产品质量和生产效率，降低成本以及水利工程和环境保护等作必要的流量检测和 控制。随着科技的飞速发展，以流程工业为代表的各工业部门对流量测量的要求 不断提高，采用新技术、研制新型流量计是一项艰巨的任务，对提高生产效率、 促进科学技术的发展具有十分重要的作用【i 4 j 。 1 2 流量测量的内容及主要方法 流量测量是一项复杂的技术。从被测介质来说，有气体、液体和混合流体三 种；从测量现场的环境来说，测量时的温度可以从高温到低温，测量时的压力从 高压到低压；被测流量的大小可以从微小流量到大流量：被测流体的流动状态可 以是层流，紊流等等。因此，为了准确测量流体流量，就必须研究不同流体在不 同条件下的流量测量方法，并提供相应的测量仪表。由于流量检测对象的多样性 和复杂性，因此流量仪表的种类繁多，且其测量原理、结构特性、适用范围以及 使用方法等各不相同。所以其分类可以按不同原则划分，有按测量对象分类，按 测量目的分类，按输出信号分类，按测量原理分类和按测量方法和结构分类等， 至今也没有统一的分类方法。目前，流量计主要用于测量流体的体积流量和质量 流量。 1 2 1 体积流量测量方法 主要有以下几类流量计用于流体的体积流量测量1 1 4 1 ： ( 1 ) 差压式流量计 差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的 一种流量仪表。其中应用最多的是由节流装置和差压计组成的节流式流量计。它 从满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，管内流柬在 浙江大学顼士学位论文 通过该节流件时就会造成局部收缩，从而在节流件前后将产生一定的测压位置和 前后直管段，在一定的流体参数情况下，节流件前后的差压与流量之间有一定的 函数关系。因此，可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。它具有两个非常 突出的优点：其一，结构简单、安装方便、工作可靠、成本低、又具有一定的准 确度。其二，研究设计和使用历史悠久，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工 已经标准化。 ( 2 ) 容积式流量计 容积式流量计又称定排量流量计，广泛应用于测量石油类( 如原油，气油、 柴油、液化石油气等) 、饮料类流体( 如酒类、食用油等) 、气体( 如空气，低压天 然气及煤气) 以及水的流量。容积式流量计利用机械测量元件把流体连续不断地 分隔成单个已知地体积部分，并进行重复不断地充满和排放该体积部分地流体而 累加计量出流体总量地流量仪表。容积式流量计的种类主要有：转子型，包括椭 圆齿轮流量计，腰轮流量计等；刮板型，包括凸轮式和凹线式流量计；活塞型， 包括往复活塞流量计、旋转活塞流量计等；还有其他结构如圆盘流量计、膜式气 体流量计、湿式气体流量计。 它具有以下优点： ( a ) 测量准确度高，是所有流量仪表中测量精度最高的一类仪表。其测量 液体的基本误差一般可达士d ，足到圭n 5 冠甚至更高。而且容积式流 量计的特性一般不受流体状态的影响，也不受雷诺数大小的限制。 ( b ) 安装管道条件对流量计计量精度没有影响，不需要直管段。 ( c ) 可用于高粘度液体的流量测量，测量范围较宽等。 ( 3 ) 速度式流量计 速度式流量计是以测量流体流速来得到流体流量地的流量计。它的种类很 多，近年来发展也很快，较典型和常用的有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量 计和超声流量计等。 涡轮流量计采用多叶片的转子感受流体平均流速从而推出流量或总量。其测 量精度很高，可与容积式流量计并列。 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表， 当导电流体在磁场中运动产生感应电势，其大小正比于流体的平均流速。由于电 磁流量计的检测元件都在测量管外，又无流动压损，所以它是一种用于测量脏污 流、腐蚀流等特殊场合又节能的流量仪表。 涡街流量计是在流体中安放一非流线型旋涡发生体，流体在发生体两侧交替 的分离释放出两列规则地交错排列的旋涡。在一定的雷诺数范围内旋涡的分离频 率正比于管道内的平均流速。 超声流量计是通过检测流体流动对超声束的作用以测量流量的仪表。它和电 磁流量计一样没有压力损失，是近年来发展迅速的流量计之一，在大口径流量测 2 渐扛大学硕士学位论文 量方面具有突出的优点。 1 2 2 质量流量测量方法 随着能源计量和管理的加强，对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测 量，很多场合如工业生产种各种原来的配比或品质的控制、物料输送、贸易结算 等往往都需要知道质量流量。质量流量计可分为两大类：直接式质量流量计和间 接式质量流量计。直接式质量计，是由检测元件直接反映质量流量的仪表，原理 上与介质所处的状态参数和物性参数等无关的流量计。目前已利用不同原理开发 出多种类型，如动量及动量矩式、惯性力式、科里奥利力式、差压式、振动式、 热式等。种类繁多，现就常见的种类进行简述。常见的直接式质量流量计有双涡 轮质量流量计、差压式质量流量计、科里奥利式质量流量计以及热式质量流量计 等f 7 母1 。 ( 1 ) 双涡轮质量流量计d , f l ，两个由弹簧连接的涡轮，受流体本身的流动能量冲击 而旋转，因两涡轮叶后螺旋倾角不同而造成力矩差，该力矩差由连接弹簧所平衡， 并使两涡轮间形成扭角，扭角的大小与质量流量成比例，测量因扭角造成的信号 时问差，可得质量流量。这种结构的优点是检测元件利用内能源工作，不需外加 能量，结构简单，但对弹性元件的性能要求较高，且需在设计上考虑消除流体受 第一个涡轮扰动后对第二个涡轮的影响，以及在流体扰动影响下两个涡轮之间可 能发生的扭曲振动。 双涡轮质量流量计的优点是：重复性好，短期重复性可达0 0 5 0 2 9 6 ：输 出脉冲信号，信号分辨率高，抗干扰能力强；范围度宽，中大口径可达4 0 ：l l o ：1 ：结构紧凑；仪表上无开孔，适于高压测量。缺点是：难以长期保持校准 特性，必须定期校验；需要较长的直管段；不适合脉动流和混相流；对流体介质 的清洁度要求较高；小口径仪表性能差 ( 2 ) 差压式质量流量计 3 , 9 1 。是由孔板和定量泵组成。主要有单板孔板法、双孔 板法、四孔板法等这种流量计又被称作惠斯登桥质量流量计。 它的优点是：线性度好；不受液体密度粘度的影响：精确度高，可达0 5 r ； 测试范围宽( 5 k g h 2 5 0 0 0 k g h ) ；结构简单；性能可靠。缺点是：要求在流量计 各管路分支内流体的密度必须相同，因此不适合与气体介质的应用；现场安装要 求高，需要较长的直管段；由于节流元件多，压力损失大。 ( 3 ) 科里奥利质量流量计【3 ，9 】，它是利用流体在直线运动的同时处于一个旋转系 中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接测量质量流量的仪 表。 它有很多优点：直接测量质量流量，有很高的测量精确度( 0 1 5 , - 。0 5 r ) ； 可以测量的流体范围广泛；测量管振幅小，可视为非活动件，测量管路中无租碍 浙江大学硕士学位论文 件和活动件；测对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求；可做多参数 测量，可同时获得流量、密度、温度等。但是这种流量计也存在不少缺点：由于 力学模型不准确，以及环境对机械部件的影响，仪表的零点漂移对精度有影响； 压力损失大；不能用于大管径测量；不能用于测量低密度介质如低压气体；液体 中含气量超过某一界限会显著影响测量值：对外界振动干扰较敏感；价格昂贵等。 ( 4 ) 熟式质量流量计【3 一，是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变 化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流 体质量之问的关系来测量流体流量的一种仪表。 它的优点有：压损低；流量范围度大；高精度、高重复性和高可靠性；无可 动部件以及可用于极低气体流量检测和控制等优点。但是这种流量计的响应较 慢，一般在2 s 4 s 之间；对于测量管内径很小的仪表，由于在管道内结垢和沉 积等因素，对流量测量会带来较大误差。热式质量流量计目前发展较快的有：热 线质量流量计、边界层质量流量计、分流式热毛细管质量流量计以及用i c 基板 技术的热式质量流量计等。 间接式质量流量计可分为两类：组合式质量流量计和补偿式质量流量计。组 合式质量流量计是在分别测量两个参数的基础上，通过运算器计算得到质量流量 值它通常用一个普通流量计和一个密度计组合或采用两个不同类型的流量计组 合。补偿式质量流量计在用体积流量计或检测砰的流量计测量流体流量的同时 测量流体的温度和压力，然后利用流体密度p 与温度f ，压力p 的关系求出该温 度、压力状态下的流体密度p ，对流量进行补偿计算求得质量流量值。 间接式质量流量计相对于直接式质量流量计，可用于较大管径的场所。但其 精确度、重复性等性能很大程度上取决于所使用的体积流量计，因为还包括了其 他仪表的误差和函数误差等，所以其系统精度通常低于体积流量计例。 可见，质量流量测量技术在得到不断发展的同时，还有许多问题没有得到彻 底的解决。今后，利用已有的传统体积流量计，经过改进、完善与提高，发展成 质量流量计，是质量流量测量技术发展的一个重要趋势。 1 3 涡街流量计的特点及研究现状 涡街流量计是一种新兴的流量测量仪表，是基于流体振动原理设计而成的， 可以测量液体、气体和蒸汽。与其他流量计相比，涡街流量计具有结构简单、无 可动部件、重复性好、压力损失小等优点。因此，越来越多的场合开始使用涡街 流量计测量流体流量，其市场前景越来越被看好。但是，在涡街流量计测量流体 过程中仍然存在一些问题 3 - 5 1 ： ( 1 ) 受流体本身的稳定性和均匀性影响较大。涡街流量计在定常流时测量准确， 但管路系统中如有罗茨式鼓风机、往复式水泵等动力机械，会产生较强脉动， 4 浙江大学硕士学位论文 使流体处于不稳定状态，如脉动频率处在涡街频带内，这将是测量误差的主 要来源，脉动严重时甚至不能形成卡门涡街。 ( 2 ) 易受噪声影响，特别是管道震动和动力设备噪声，这些噪声信号将直接叠加 于涡街流量信号之后，影响流量的测量。 ( 3 ) 不能准确测量小流量。小流量流体产生的横向升力较小，涡街流量计检测元 件输出信号很小，将直接被认为是噪声而切除，造成实际量程比小于理论值。 现在广泛应用的涡街流量计大多采用压电传感器将漩涡产生的交替变化压 力转换为电荷信号，再通过硬件电路对电荷信号进行放大、滤波、整形、计数， 得到涡街频率。这种方法成本低、响应速度快，但是易受管道振动，流体脉动等 干扰的影响，导致测量误差偏大。特别在小流量时，涡街信号的信噪比降低，使 的测量误差更大。如何减少噪声对涡街信号的干扰，提高测量精度，是流量计信 号处理中的关键问题。为此，国内外的学者做了大量的研究工作，如m i a u 通过 改进传感器结构来提高输出信号质量f 1 3 j 。在信号的软件处理上，谢字环、 a m a d i - e c h e n d u 、徐科军和蒙建波等先后提出了用各种频谱分析方法对涡街信号 进行处理【1 0 , 1 5 , 1 6 1 ，这些方法提高了对干扰信号的抑制作用，但是由于计算复杂， 计算量大，在实时处理方面还有待进一步研究。也有采用专用d s p 芯片处理来处 理涡街信号的田l 。但成本较高，推广比较困难。 另外，国内外的科研工作者从7 0 年代起就开始探讨利用涡街原理测量质量 流量的可能性，并取得了一定的进展【1 7 d 们。传统的涡街流量计主要用于体积流量 的测量，在此基础上外加一些参数就可以得到流体的质量流量。涡街流量计若能 成功用来测量质量流量，将比科里奥利质量流量计具有更大的应用前景，因为科 里奥利质量流量计只能用于测量液体流量，而涡街流量计既可以测量液体，也可 以测量气体。目前主要有以下几类涡街质量流量计 ( 1 ) 升力式涡街质量流量计i 五i 卅 升力式涡街质量流量计通过测量漩涡频率的同时测量漩涡发生体所受升力 的大小来推算质量流量。这种方法使用差动结构的两片压电传感器，测量中取出 压电信号的波动幅值和波动频率，通过计算就可得到质量流量。该方法结构简单， 但是旋涡升力对应的信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件 等多种因素有关，测量准确度难以提高 ( 2 ) 双路信号差压式涡街质量流量计” 这种方法是在原涡街体积流量计的基础上，加上差压变送器测量漩涡发生体 前后差压的大小来推算流体的质量流量。涡街流量变送器输出与体积流量成正比 的频率信号，差压变送器测量漩涡发生体前后某特定位置的差压，经过计算可获 得质量流量。该方法简单，几乎不用对原涡街流量计作任何改造，但多增加了一 台差压变送器，本质上属于多仪表组合测量质量流量。 ( 3 ) 复合信号发生体涡街质量流量计l i q 浙江大学硕士学位论文 该方法在管道中垂直于流体的流向上插入一流量检测元件，即复合信号发生 体。当管道中的流体流经复合信号发生体时，会在复合信号发生体左右两侧的后 方产生两列漩涡信号，另外还会在复合信号发生体的迎流面的4 个总压孔上感受 到被测流体的平均全压力，而在发生体的背面静压孔上感受到被测流体的静压 力。两者之差就称为流体的平均动压力，它与流体流速的平方成正比。这种测 量方法也需要增加一个微均差传感器，属于多仪表组合。 上述3 种方法都采用了压电传感器测量旋涡频率。压电传感器具有响应快、 信号强、与测量介质不接触等优点，但是对管道振动较敏感，因此限制了它的应 用场合。此外还有密度式涡街质量流量计，超速式涡街质量流量计等，但都处于 科研试验阶段，商未见到商品化的产品 本课题组通过对涡街流量计流场的数值仿真，发现涡街尾流管壁处的差压 可用来测量被测介质的体积流量，进一步研究发现，适当的选取管壁取压的位置， 得到的信号可用来测量质量流量，进而提出了采用单路差压传感器测量流体质量 流量的新方法i ”列。 1 4 差压式涡街质量流量计的测量原理 涡街流量计是在测量管中垂直插入一个柱状物，流体通过柱状物时就会在两 侧交替地产生有规则地漩涡，如图1 1 所示这种漩涡列就称为卡门涡街。涡街 频率，跟流体流速u 之间有以下关系： f ：s t 兰 m a 式中最为斯特劳哈尔数，从实验可知，在雷诺数艇为3 x 1 0 2 3 x 1 0 5 范围内， 流体速度u 与旋涡脱落频率的关系是确定的：小为旋涡发生体两侧弓形面积与管 道面面积之比：d 为旋涡发生体迎流面宽度。 并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的。冯卡门在理论上已证明稳定的 涡街条件是：涡街两列旋涡之间的距离为h ，单列两漩涡之间距离为，若两者 之间关系满足： h l = 0 2 8 1 ( 1 2 ) 时所产生的涡街是稳定的。 卡门涡街的颏率与流速成正比，因此通过测量卡门涡街的频率就可算出流体的 瞬时流量。流体的瞬时体积流量g 可表示为： 幺= 警0 - 3 ) 式中厨为涡街流量计的仪表系数。 差压式涡街质量流量计是在涡街发生体的上下游管壁各设置一个取压口，其 6 浙江大学硕士学位论文 测量原理如图1 1 所示。 ，一萄，动 流动 亡= 发生 旋涡 多 差压传感器 图1 1 差压式涡街质量流量计原理示意图 上游的取压口用于检测流体在通过涡街发生体前的压力，该压力为一稳定 值：下游的取压口用于测量流体流过发生体后的压力值，该压力是一个波动信号。 上下游差压示意图如图1 2 所示。 p 图1 2 上下游差压示意图 差压传感器就是用来测量图1 2 中的差压a 尸，涡街发生体不仅使流体流过 后发生分离，产生涡街，它还具有阻力特性，使流体流过涡街发生体后产生压力 损失，根据流体力学的基本原理，差压a p 的平均值i a p 与流速u 的关系可表示 为： 面= 三c ， ( 1 川 式中五为4 p 的平均值：q 为压力系数；p 为流体密度；( ，为流体平均速度 用式( i - 4 ) 除以式( 卜i ) ，并定义一个新的变量凰 7 p 浙江大学硕士学位论文 日= - 面7 = 百c , m d ( 1 5 ) 最和g 在一定的雷诺数范围内是常数，埘、d 是涡街发生体尺寸参数，也是 常数，因此日正比于p u 。 因此质量流量q k 可表示为： q 。：k 。等：k 。h 0 - 6 ) ， 其中： 鼠= 警= 器 ( t 忉 式中局，即为仪表的质量流量系数，是一个与旋涡发生体形状、尺寸、上下 游取压孔位置等有关的物理量。值可以通过实验测量标定得到。因此，只要 测量得到涡街发生体上下游的差压信号，从中得到流体流经发生体的压力降和涡 街频率，经计算就可以直接得到流体的质量流量。 1 5 本文的研究意义及主要内容 1 5 1 研究意义 传统的质量流量测量是间接式的，即要分别测出流体的体积流量和密度，然 后再由体积流量和密度换算为质量流量，或者同时测量流体的体积流量和温度、 压力，利用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量。其缺点是需要 多点测量，易受环境因数的影响。传统的质量流量测量已不能满足当今社会对质 量流量测量的需求， 从传统的体积流量计，经过改进发展成质量流量计，是当前研究的一个热点 问题。差压式涡街质量流量测量技术是一项前沿的课题，目前尚处于研究阶段。 与传统的压电式检测漩涡频率的方法相比。差压式涡街检测方法具有以下优点： ( 1 ) 与压电式检测方法相比，差压式检测方法对管道振动噪声的抗干扰能力具有 明显的优势。因为压电传感器本身的抗振性较差，且安装在管道中，管道中 的各种振动源产生的噪声会叠加到压电传感器的输出上，因此容易受于扰。 而差压式检测方法采用的差压传感器安装在管道外，管道的振动对其影响较 小。另外差压式检测方法能有效将叠加在传感器两头的共模干扰相互抵消。 ( 2 ) 采用单路差压传感器就可实现流体体积流量和质量流量的测量，其检测原理 新颖，且实现简单。 ( 3 ) 检测用的差压传感器安装在管道外面，因此维修和更换方便。 8 浙江大学硕士学位论文 因此，采用差压式测量方法将测量体积流量的涡街流量计进一步发展成涡街 质量流量计，用于气体和液体等多种流体介质质量流量测量，相比与其他质量流 量计具有不可替代的优势。本文的研究对涡街流量计的使用乃至流量测量技术的 发展都具有重要的实际应用价值。 1 5 2 主要内容 经过课题组成员多年的研究，目前本课题已取得了一些进展【1 9 - 2 2 1 ：应用 f l u e n t 6 0 计算软件，对d n s 0 m m 涡街流量计流场进行了数值仿真，就漩涡发 生体的漩涡脱落频率与实测数据进行了对比，并建立了涡街流量计物理模型和计 算模型；根据涡街流量计的基本原理，提出了在管壁上安装差压传感器，通过检 测漩涡发生体后管壁处差压信号的频率来检测涡街流量信号的新方法。用水和空 气两种流体介质对差压方法进行实验研究：通过实验，确定了能正确测量质量流 量的差压取压位置，并且在特定的涡街发生体上下游取压位置，不同测量介质具 有相同仪表系数。 但是，差压式涡街质量流量计信号处理系统的研制在具体实现过程中，还需 要解决以下技术难点： ( 1 ) 差压式涡街质量流量测量方法是通过单个差压传感器同时获取了涡街频率 信号和差压均值信号，因此需要设计专门的信号处理电路从单路信号中分离 出两路信号，以便能同时获取这两路信号。 ( 2 ) 涡街流量计酊信号频率和幅度在不同管径、不同流速下变化很大，如何设计 信号处理电路使电路板在不同工况条件下具有通用性将是本文研究的重点 之一。 ( 3 ) 在小流量时，涡街产生的信号微弱，容易被噪声淹没。因此如何设计滤波电 路。以便有效滤除干扰噪声，将是本文的研究内容之一 ( 4 ) 采用脉冲计频的方法来提取涡街频率已很难满足仪表准确度的要求，因此本 文还将研究数字信号处理方法在涡街频率提取上的应用，以便更加准确的获 取涡街频率值，实现流量的准确测量。 本文的主要内容如下： 第1 章对流量测量的主要内容和主要方法作了简要概述，介绍了体积流量测 量和质量流量测量的主要方法，并对质量流量测量的四种方法作了比较。接着介 绍了差压式涡街质量流量计的测量原理，最后阐述了本文的研究意义和研究内 容。 第2 章根据差压式涡街质量流量计的信号特点，选择了合适的差压传感器及 其供电电路。设计了差压式涡街质量流量计信号处理系统的各个部分电路，包括 程控放大电路、信号分离电路、自适应滤波电路、单片机系统，通信模块和电源 9 浙江大学硕士学位论文 模块等最后分析了系统抗干扰设计中需要注意的一些问题。 第3 章对涡街流量信号的特点进行了分析，提出用数字信号处理方法处理涡 街信号，并详细介绍了质量流量和体积流量的计算方法。接着介绍了f f t 谱分 析方法的原理及应用，并在m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机上实现了该算法。针对涡街信 号的特点，提出了一种自适应采样及滤波的软件处理方法。 第4 章介绍了实验装置，对差压式涡街质量流量计信号处理系统进行了标 定。在此基础上，对系统进行了更加细致的实验，分析了测量误差产生的原因及 涡街流量计安装方式对测量结果的影响。 第5 章总结了全文的工作，并对今后进一步的研究工作提出了自己的设想。 本课题源自高等学校博士学科点专项科研基金项目“涡街流量计旋涡频率检 测方法研究”，项目编号为2 0 0 3 0 3 3 5 0 5 8 。 l o 浙江大学硕士学位论文 第2 章涡街质量流量计的硬件设计 摘要差压式涡街质量流量计采用单个差压传感器测量。而质量流量的计算需要测量两 个值：差压频率和差压平均值。因此本文设计了一种信号分离电路，从单个传感器的输出信 号上分离出两路信号，从而实现了用单个传感器测量流体的多个参数。采用了程控放大器和 自适应滤波器来代替传统的电路，使电路在不同工况下能具有自适应能力，实现了在线调节 电路参数，增强了电路的抗干扰能力，提高频率测量的精度和测量范围最后对系统抗干扰 问题进行了论述。 2 1系统硬件的总体结构设计 涡街质量流量计硬件部分的总体框图如图2 1 所示。其工作过程如下： 差压传感器将压力的变化转换成电阻阻值的变化，通过恒流源供电电路 将电阻信号转换成电压信号，再通过程控放大器将毫伏级电压信号放大，经过信 号分离电路后得到信号的交流部分和直流部分，信号交流部分即涡街的频率信 号，信号直流部分即差压平均值信号，两路信号经a d 转换后由单片机采集，单 片机通过运算后就能得到流体的体积流量和质量流量。 恒流源 供电 差压传 感器 显示接口 程控 放大器 信号平均值ja p 分离电路i 信号频率1 i 自适应if 分离电路i l 滤波器l 图2 1 涡街质量流量计总体框图 2 2差压传感器及其供电电路设计 a d c m s p 4 3 0 单片机 通信接口 按键 接口 ( 1 ) 差压传感器的选择 差压传感器的选取要注意以下问题：为了提高测量精度，应注意使用时的显 示值应在满量程的5 0 左右来选择测量范围或刻度范围；选择传感器的响应速 度，以适应输入信号的频带宽度，从而得到高信噪比；合理选择使用现场条件， 浙江大学硕士学位论文 注意安装方法，了解传感器的安装尺寸和重量等；注意从传感器的工作原理出发， 联系被测对象中可能会产生的负载效应问题，从而选择最合适的传感器。 涡街流量计中的差压检测和一般的节流式流量计中的差压检测不同，在节流 式流量计中差压检测是测量稳定的压力损失，没有特殊的响应时间的要求，一般 的工业用差压测量传感器都能满足要求。根据涡街流量计中的差压测量原理，差 压传感器要浏出压力差的大小和压力的波动住。因此，差压传感器在选取时首先 要求能满足三个要求：一是差压量程；二是测量精度；三是要具有很好的动态响 应特性，能够快速不失真的反映差压信号动态变化。 目前市场上应用最广泛的是压阻式压力传感器，它是利用半导体材料的压阻 效应制成的器件，具有传感器精度高，工作稳定可靠，体积小，输出信号大等优 点，其工作原理是在一个单晶硅膜片上布置了四个等值的敏感电阻，组成惠斯顿 电桥。当压力作用时，膜片产生相应的弹性形变，应变电阻由于单晶硅压阻效应 使其阻值发生相应的改变，电桥失去平衡，输出的电压与膜片上压力成比例删。 它在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻作为敏感元件，敏感元 件可以做得很小，有效面积得直径有的达到仅零点几个毫米：它的灵敏系数可高 达金属应变片的灵敏系数的5 0 1 0 0 倍，能直接反应出微小的应变；分辨力很高， 能测出一二毫米水柱的微压；频率响应也高，可用来测量高达数十千赫兹乃至更 高的脉动压力，因此可以满足频率测量和精度的要求。 本文选用的是h o n e y w e l l 公司的2 4 p c 系列扩散硅压阻传感器，其压力测 量范围为0 l j p s i ；响应时间 5 x 1 0 4 时， 品基本保持恒定。除去r e 5 x 1 0 4 时的各流 量点，重新计算j 乙平均值和 0 相对误差可得，疋为1 3 8 2 ，相对误差在2 以 内。 浙江大学硕士学位论文 6 5 1 f 4 1 3 委1 2 1 1 1 o 0 9 0 8 口a 一口 一一 一一u 。口一o 凸一d u 一口 024681 01 21 4 1 6 1 82 0 2 2 2 4 r e l o 图4 6 砀与雷偌数的关系图 06 0 0 01 2 0 0 0 1 8 0 0 02 4 0 0 03 0 0 0 03 6 0 0 0 质量流量( k g h ) 图4 7k 与质量流量关系图 4 3 5 安装方式对测量结果的影响分析 在工程实际应用中，涡街流量计通常有如图4 8 所示的几种安装方。 4 3 1 ，其 中( a ) 、( b ) 、( c ) 三种方式都属于水平安装；( d ) 则为涡街流量计的垂直安装。 对不同的流体应采用不同的安装方式。普通液体、气体、含水量液体的气体、低 抖 趁 侣 惦 坦 坩 o o o o 0 o o o 浙江大学硕士学位论文 温气体和液体、含微量固体颗粒的液体和气体等可采用( a ) ，( c ) 、( d ) 方式安 装：高温液体、高温气体、蒸汽可采用( b ) 、( c ) 、( d ) 方式安装；湿饱和蒸汽 可采用( a ) 、( c ) 、( d ) 方式安装；液一气( 含微量气体) 、液一周( 含微量固体) 和液一液两项流中，如果气、固相不超出可测量范围，建议首先采用( d ) 方式 安装。 ( a ) 水平管道，转换器在上方 ( b ) 水平管道，转换器在下方 ( d ) 垂直管道，转换器在侧面 图4 8 涡街流量计的常用安装方式 本文分别对在水平和垂直两种安装方式时测得的涡街信号进行快速傅里叶 变换，得到涡街频率值，图4 9 给出了涡街频率与流量之间的关系。从图中可以 看出，两者之间的差别很小。再分别计算测得的涡街率与流量，得到水平、垂直 安装的涡街流量计仪表系数分别为2 5 2 0 2 和2 5 1 9 8 ，相对误差小于o 0 2 。可见， 在安装方式对涡街流量计的测量影响很小，可以忽略1 6 3 1 。 浙江大学硕士学位论文 霄 毛 槲 聪 妪 臻 富 正 兰 蜊 磐 心 逛 流量( m 3 h ) 图4 9 不同安装方式涡街频率与流量的关系 流量( m 3 m ) 图4 1 0 不同安装方式信号幅度与流量的关系 为了进一步研究涡街流量计安装方式的影响，本文还比较了在水平和垂直两 种方式下的涡街信号的幅度。图4 t o 给出了涡街信号幅度与流量之间的关系， 可以看出信号幅度都与流量成近似二次方关系，在相同流量下，信号幅度基本上 相等，这说明涡街流量计安装方式对其信号幅度影响很小，也即旋涡的能量( 正 浙江大学硕士学位论文 比于幅度的平方) 几乎不受影响。但是，仔细比较可以发现，涡街流量计水平安 装时的信号幅度略大于垂直安装的情况，这里可定性地理解为，当涡街流量计垂 直安装时部分旋涡能量因为克服重力而耗散，使得涡街流量计传感器感测到的涡 街能量变少，从而造成信号幅度减小。 4 4 实验结果小结 ( 1 ) 从实验结果看，差压信号的频率很好的反映了涡街频率，用差压频率来测量 流体体积流量具有较好准确度和抗干扰性能。 ( 2 ) 差压系数在一定雷偌数范围内能够保持恒定，通过实验得到的雷偌数下限为 5 x1 0 。在该雷偌数范围以上，利用差压信号测量流体的质量流量将具有较 好的准确度。 ( 3 ) 利用本系统能够实现流体的多参数测量。在差压信号中，差压平均值于流体 密度和流速有关，差压频率与流速成线性关系，所以利用差压平均值和差压 频率可以得到质量流量和体积流量，经过简单计算，就可以得到流体密度。 浙江大学硕士学位论文 5 i总结 第5 章总结与展望 涡街流量计具有许多优点，目前已跻身通用流量计之列，且发展势头依然强 劲。通过本课题的研究发现，将差压检测方法与涡街流量计结合，用于质量流量 的测量，是一种有效可行的办法，且为质量流量的直接测量提供了一种新的手段。 本文的主要工作及创新点有： ( 1 ) 根据差压式涡街质量流量计的特点，选择了扩散硅压阻传感器作为差压检测 元件，并设计了合适的供电电路。同时设计了流量计信号处理系统的硬件系 统，包括单片机系统，信号处理电路和通信模块电路等。 ( 2 ) 设计了一种信号分离电路，从而实现了单个传感器测量多个流量参数。针对 传统涡街信号处理电路通用性差的特点，设计了程控放大器和可编程滤波器 电路，结合系统的软件设计，最终实现了在线更改放大倍数及滤波器参数的 功能。 ( 3 ) 在分析涡街信号的基础上，采用f f r r 谱分析法来处理涡街信号，并通过频谱 校正技术提高了f f t 谱分析法的测量精度，最后在m s p 4 3 0 f 1 6 1 i 处理器上实 现了该算法。完成了差压式涡街质量流量计信号处理系统的主体程序设计和 姒r t 通讯程序设计。 “) 对差压式涡街质量流量计信号处理系统进行系统标定及实验。结果表明，本 信号处理系统能够实现流体体积流量和质量流量的同时测量，且具有较好的 精度通过实验，分析了流量计测量质量流量产生误差的主要原因，并定量 分析了涡街流量计安装方式对测结果的影响。 5 2展望 差压式涡街质量流量计作为一种新型质量流量计，能应用于气体和液体等多 种介质的质量流量测量，具有广阔的应用前景。但由于采用新的检测方法，加上 个人经验的不足，本课题虽然取得了一定的成果，但仍有许多未解决的闯题： ( 1 ) 对差压式涡街质量流量计测量下限的研究 通过本文的研究，发现差压式涡街质量流量计在低雷偌数时的铡量精度偏 低，应用受到限制。因此，还需要进一步研究差压式涡街质量流量计的测量特性， 浙江大学硕士学位论文 扩展其测量下限 ( 2 ) 对差压传感器零点漂移问题的研究 差压传感器普遍存在温度漂移，非线性等问题，如何消除或尽量减少零点漂 移给测量造成的影响，实现仪表的自动零点补偿，对仪表的稳定性和