（模式识别与智能系统专业论文）涡街流量计信号处理方法研究.pdf

摘要 涡街流量计是上世纪6 0 年代末期发展起来的一种流量计，它利用流体振动 原理来进行流量测量，具有仪表内无机械可动部件、介质适应性宽、压力损失小 以及输出频率脉冲信号等优点，在工业生产中广泛用于液体、气体和蒸汽的测量。 但是，由于流体模型本身的复杂性以及它易受管道振动等干扰而无法保证现场测 量精度，测量小流量困难。 由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而且当流量小时， 涡街传感器的输出信号比较微弱，易被噪声淹没，使得小流量信号失真，量程下 限受限。本设计中的流量系统使用3 2 位a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x 为微处理器，以 串口通讯采集涡街流量信号。再对采集到的涡街信号采取几种不同的数字信号处 理方法，同时进行仿真与对比，并从理论上分析了周期性脉动流干扰下涡街传感 器的输出信号。 论文的主要研究工作包括： 1 研究涡街流量计的原理，设计采用s 3 c 4 4 b o x 为核心的数字涡街流量检测 系统实现方案，完成数据采集和显示功能。 2 分析f f l i 、数字滤波器、相关滤波、小波滤波等几种信号处理方法的原理， 设计方法，应用效果等，并进行编程及仿真调试。 3 分析了脉动流干扰下涡街传感器的输出信号，分解出涡街流量信号频率和 脉动干扰频率，提出了提高流量计测量精度的方法。 关键词：涡街流量计，f f t ，数字滤波，相关，小波变换，脉动流 a b s t r a c t v o r t e xf l o wm e t e rw a sd e v e l o p e di n19 6 0 s ，w h i c hd e p e n do nt h ep r i n c i p l eo f u s i n gf l u i do s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i tu s e dt om e a s u r e m e n tf o rf l o wr a t e t h ef l o w m e t e rh a st h e e x c e l l e n c ew h i c hn om o v e a b l ep a r ti n s i d e ，g o o d a d a p t a b i l i t yt om e d i u m ， l e s sp r e s s u r ew a s t e ，o u t p u tp u l s es i n g l ea n ds oo n i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h e m e a s u r ef o rl i q u i d ，g a sa n ds t e a m b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h el i q u i dm o d e l a n de a s yt ob ed i s t u r b e d , t h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n tv e r yd i f f i c u l tt ob e e n s u r e d d u et ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv o r t e xf l o wm e t e r , i ti s s u b j e c t e dt o e n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e ；m o r e o v e r , w h e ni t sv e l o c i t yi sl o w , t h eo u t p u ts i g n a lw a s c o m p a r a t i v e l yf a i n ta n dw a sp r o n et ob es u b m e r g e db yn o i s e s ，r e s u l t i n go ft h e d i s t o r t i o no ft h ef l u x - s i g n a l a c c o r d i n gt ot h i ss u b j e c t ，t h es y s t e mo fv o r t e xf l o w m e t e ra d o p t ss 3 c 4 4 b o xw i t ha r m 7 sk e r n e la st h em i c r o p r o c e s s o r , a n dc o l l e c t st h e f l u x 。s i g n a lu s i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o n s o m ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r e a p p l i e di nt h ec o l l e c t e ds i g n a lw h i l et h ee m u l a t o ra n dc o n t r a s ta r eg o n ea l o n g v i a c o n t r a s ta m o n gd i f f e r e n tw o r k e ds i g n a lw a v e f o r m ，a d a p t i v ef i l t e rm e t h o dw h a ti st h e b e s to n ea c c o r d i n gt ot h ew o r k e de f f e c t ，a n da n a l y z et h eo u t p u ts i n g l eo ft h ev o r t e x f l o wm e t e rw h i c h m e e t i n gp u l s a t i n gf l o w t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e d ： 1 p r i n c i p l e so fv o r t e xf l o wm e t e rh a v e b e e ns t u d i e d ，f l o wm e a s u r es y s t e mt h a ti s b a s e du p o nv o r t e xs c h e m eu s i n gs 3 c 4 4 b o xh a sb e e n d e s i g n e d ，a n ds y s t e m a p p l i c a t i o nh a sb e e nt e s t e d 2 p r i n c i p l e s ，d e s i g nm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nr e s u l t so ff f ta l g o r i t h m ，d i g i t a l f i l t e r , c o r r e l a t i o nm e t h o da n dw a v e l e ta l g o r i t h m sh a v eb e e na n a l y z e d ；f u r t h e r m o r e ， p r o g r a m m e ra n de m u l a t o rh a v e b e e nc o m p l e t e d 3 a n a l y z et h eo u t p u ts i n g l eo ft h ev o r t e xf l o wm e t e rw h i c hm e e t i n gp u l s a t i n g f l o w , t h e na p a r tt h ef r e q u e n c yo ft h ep u l s a t i n gf l o ws i n g l ea n dt h ef r e q u e n c yo ft h e p u l s a t ei n t e r f e r e f i n a l l y , w ep r o p o s e dt h em e t h o do fi m p r o v et h ev o r t e xf l o wm e t e r p r e c i s i o n k e yw o r d s ： v o r t e xf l o wm e t e r , f f t ，d i g i t a lf i l t e r , c o r r e l a t i o n ，w a v e l e t f i l t e r , p u l s a t i n gf l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 耷内 签字日期：d 艿年月) 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞潼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：个奄岣 导师签名： 曼 签字日期：9 吝年月押日签字日期： d 孓年1 月幻日 学位论文的主要创新点 一、将小波变换的数字信号处理方法应用于涡街流量计，可以有效地 将信号和噪声分解到不同频带，根据最优频带的判别方法，准确 提取信号，提高频率的测量精度。 二、从理论上分析了脉动流干扰下涡街传感器的输出信号，分解出涡 街流量信号频率和脉动干扰频率，提出了提高流量计测量精度的 方法。 第一章绪论 1 1 流量测量的意义 第一章绪论 流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规律是事物联系与发展的基 本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体 流动的地方都有流量测量的问题。 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。在整个过程检测仪表 中，流量仪表的产值约占1 5 - 1 4 。 在天然气、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，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。 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。 除了上述的应用领域之外，流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道 输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。 为此，要根据被测流体的种类和流动状况以及测量场所等条件，研究各种相 应的测量方法。各种流量仪表，有着各种不同的测量原理和结构特征，其使用方 法也各不一样。因此，测量流量时，事先必须充分研究测量条件，选用适合于相 应条件的流量仪表。 第一章绪论 1 2 涡街流量计概述 1 2 1 涡街流量计的发展 涡街流量计是上世纪6 0 年代末期发展起来的一种流量计，它利用流体振动 原理来进行流量测量，其优点是仪表内无机械可动部件，被测流体本身就是振动 体，使用寿命长，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。自7 0 年代以来得到了迅速的发展，据有关资料显示，现在日本、 欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅上升，已广泛应用于各个领域，世界 市场涡街流量计的销售额每年的递增3 0 左右。将在未来流量仪表中占主导地 位，是孔板流量计最理想的替代产品，也是目前国内的首选流量计。 在早期，人们对涡街的研究主要是为了防灾的目的。在1 8 7 8 年，斯特劳哈 尔( s t r o u h a l ) 就发现由一根弦线发出的蜂鸣音调与风速和弦线粗细之商成正比， 并发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，揭开了人类研究涡街的序幕( 在 流量测量中，斯特劳哈尔数就是表示漩涡分离频率与漩涡发生体直径、流速关系 的相似准则) 。1 9 0 8 年，伯纳德( b e n a r d ) 把圆柱体后面尾流的周期性和漩涡的形 成联系起来考察，而在1 9 1 2 年，冯卡曼( v o nk a r m a n ) 把它和一条稳定的错开 排列的涡街的形成联系起来了。 本世纪5 0 年代，涡街开始用于测量的研究，如风速计和船速计等。从6 0 年代末开始研究涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。最早 的实用化涡街流量计是由日本横河电机( y o k o g a w a ) 在1 9 6 9 年制造出来的。随后， 世界上许多大公司纷纷推出自己各具特色的涡街流量计。7 0 、8 0 年代涡街流量 计发展异常迅速，开发出众多类型检测法流量计，并迅速大量生产投放市场。由 于涡街流量计具有适用流体种类多( 液体、气体、蒸汽及一些两相流体如饱和蒸 汽) ，结构简单牢固，安装维护方便，测量范围宽，压损低，校验简便( 采用一种 典型介质校验即可，甚至可干校验) ，仪表价格适中等特点，所以近年来广受青 睐，在工业现场中获得了广泛的应用。 几十年来，涡街流量传感器的结构有很大改进，性能逐渐趋于完善， 且美 国、日本、德国及我国早在8 0 年代已颁布相关标准。 1 2 2 涡街流量计的特点 涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种具有国际先进水平的新 型流量计，由于它具有其他流量计不可兼得的优点，自七十年代以来得到了迅速 2 第一章绪论 的发展，据有关资料显示，现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大 幅上升，已广泛应用于各个领域，将在未来流量仪表中占主导地位。 涡街流量计的主要特点有： ( 1 ) 结构简单而牢固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠； ( 2 ) 安装简单，维修十分方便； ( 3 ) 检测传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命长； ( 4 ) 输出是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便和计 算机联网： ( 5 ) 测量范围宽，量程比可达1 ：1 0 ； ( 6 ) 压力损失较小，仅为孔板流量计1 4 - - 1 2 ，运行费用低，更具节能意 义； ( 7 ) 在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组份变化 影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关测量流体的体积流量无需补 偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数； ( 8 ) 应用范围广，蒸汽、气体、液体的流量均可测量。 1 2 3 涡街流量计应用中存在的主要问题 涡街流量计理想情况输出信号为正弦信号，但是由于实际应用中流量计安装 在管道内，所以它的输出信号实际由两部分组成：真正的涡街信号和噪声信号。 涡街流量计在应用中，主要存在的关键问题主要有三个方面： ( 1 ) 涡街流量计的理论基础还很薄弱 对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的，而涡街流量计 应用于封闭管道，流场具有三维不均匀性，其旋涡分离规律与均匀流场中的旋涡 分离不完全相同，因此需要流体力学工作者从流量计应用角度对旋涡脱落的流体 振动规律进行深入研究，为涡街流量计的设计提供理论依据。 ( 2 ) 在应用现场，它易受外界振动干扰，而工业现场的振动是普遍存在的。 如：管道机械振动干扰，水泵、阀门的开启，大电机的运行等；流场干扰，流场 不稳定，由于现场振动噪声的干扰，使得现场测量误差远远大于实验室标定误差。 有时实际测量误差可达5 0 之大。 ( 3 ) 由于雷诺数的限制，在高粘度、低流速和小口径情况下难以正确测量， 量程受限。这需要在旋涡发生体形状，传感器结构方面作优化设计，以适应不同 的测量要求。当流量小时，涡街传感器的输出信号比较微弱，易被噪声淹没，所 以量程下限受限。 这三个关键问题影响了涡街流量计特点的发挥，阻碍它的发展。 3 第一章绪论 1 3 涡街流量信号处理技术的发展 1 3 1 数字信号处理的发展 随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，d s p ) 技术应运而生并迅速发展。数字信号处理是对采样的离散信号 进行处理的一种现代信号处理技术，现在已经形成- - i 1 独立的学科体系。简单的 说，数字信号处理就是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进 行采集、变换、综合、估值与识别等加上处理，借以达到提取信息和便于应用的 目的。数字信号处理现在己经基本上形成一套较为完整的理论体系。与模拟信号 处理技术相比，数字信号处理技术具有速度快、精度高、稳定性好、处理手段丰 富与灵活等优点。随着信号处理算法执行成本的下降，数字信号处理的应用范围 越来越大，因而对它的研究己远远超出其传统内容频谱分析与数字滤波器设 计，在信号重构、逼近、内插和外推，利用部分信息恢复信号，高分辨率的谱分 析，高效自适应滤波等方面，不断涌现出新的课题。 数字信号处理目前基本上有三种实现方法：软件实现方法、硬件实现方法和 单片机实现方法。软件实现方法是指按照原理和算法，自己编写程序或者采用现 成的程序在通用计算机上实现；硬件实现指的是按照具体的要求和算法，设计硬 件结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接口部件 实现的一种方法。单片机实现方法即软硬结合方法。显然，软件方法灵活，只要 改变程序的有关参数，就可以改变处理的功能，但运算速度比硬件处理要慢。目 前，一般将软件处理方法应用于科研和教学。 信号处理中的一个重要的方法是快速傅立叶变换。利用傅里叶变换和组数所 形成的源谱分析技术作为处理连续信号的重要工具已经应用得很久了。19 6 5 年 库利( c o o l e y ) 和图基( t u k e y ) 所发展的近似频谱的快速算法为频谱分析的各 种新的应用铺平了道路。在这些方法中，为了实现频域数字信号处理，必须找到 一个来往于时域和频域之间的高速工具，这个工具就是流行的蝶型图，即快速傅 立叶变换的基础。基于傅立叶变换的传统谱分析方法，包括经典傅立叶谱分析及 其各种f f t 算法，也包括其分段平均法、加窗平滑处理等各种改进算法，至今仍 得到广泛应用，并成为当前谱分析的主要方法之一。 相关检测是上世纪4 0 年代发展起来的一门技术，它建立在信息论和随机过 程的理论基础上。这一技术首先应用在军事上的雷达技术，然后逐渐转移到其他 科学研究和民用上。现在己经在各个领域得到日益广泛的应用，并成为从强噪声 中提取弱信号的重要手段。从本质上来说，相关检测技术是基于信号和噪声的统 4 第一章绪论 计特性进行检测的，相关函数是两个时域信号相似性的一种度量。确定信号的不 同时刻取值一般都具有较强的相关性；而对于干扰噪声，因为其随机性较强，不 同时刻取值的相关性一般较差，利用这一差异可以把确定性信号和干扰信号区分 开来。 小波变换也是近年来开始用于信号检测，小波变换作为一组带通滤波器，用 来对涡街传感器信号进行滤波，去除噪声，以便准确提取频率信息。小波变换时 一种比较新的涡街流量计信号处理方法。 数字信号处理理论和技术的发展，也促进了仪器设计智能化的趋势。现代仪 器借助于微处理器及d s p 芯片的信息处理、数据运算、以及程序控制等性能，不 仅实现了仪器的自动调节，测量数据的控制与处理，而且使数字信号的基本方法， 如快速变换算法、数字滤波、信号卷积、相关分析、功率谱密度计算、系统的传 递函数计算、自适应处理等均能有效地在仪器设计中实现。这不仅大大减少了仪 器测量过程中随机误差的影响，提高了精度，而且，信号处理功能的实现也扩展 了电子测量仪器的功能，使其智能化的水平提高了一大步。 1 3 2 涡街流量信号处理的国内外现状 由于涡街流量计的优点，为使它获得更广泛的应用，国内外研究人员进行了 大量研究工作。综合来看，对应与目前涡街流量计应用中出现的主要问题，涡街 流量计未来改进和发展的方向主要有两个：一是采用现代流场分析技术，分析振 动噪声影响，进一步改进压电传感器的具体结构以及安装位置，使涡街流量计在 小流量情况下的抗干扰能力更强；二是借助于日益成熟的微控制器技术，将数字 信号处理方法应用到涡街流量计来提取涡街频率，从而提高流量测量精度并扩展 量程下限。 y o k a g a w a 是世界上最早生产涡街流量计的公司，1 9 6 8 年生产出世界上第1 台涡街流量计。在涡街流量计技术研究中y o k a g a w a 公司一直处于领先地位，它 研制的数字涡街流量计( y e w e l o ) ，以微处理器为核心，采用频谱信号处理技术， 利用信号频谱分析的结果，结合最佳噪声比搜索算法，调整带通滤波器，除去噪 声，提高流量测量精度。 f o x b o r o 公司采用自适应滤波技术来提高流量测量的精度。涡街传感器的信 号通过带通滤波器进行处理，该带通滤波器的截止频率根据涡街信号的测量频率 动态调整，当测量频率变化很小时，滤波器的转折频率设置为跟踪信号变化频率； 当测量频率变化比较大时，设置为搜索频率模式，初始化滤波器，重新测量涡街 频率，这样避免了滤波器跟踪到噪声频率。 早在1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速之间 第一章绪论 关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是为防灾的目的，如锅炉及换热器 钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用 于测量研究始于2 0 世纪5 0 年代，如风速计和船速计等；6 0 年代末开始研制封 闭管道流量计涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计；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涡街流量计， 并迅速大量生产投放市场。 国外早期s c h l a t t e r ，g e r a l d 等人提出在建立噪声模板和信号模板的基础 上，用互相关和功率谱相结合的方法消除涡街流量计中的强噪声。但是，噪声情 况各种各样，不易获得噪声的所有模板口1 。 j j m i a u 等研究人员从传感器结构上入手，通过实验证明改进压电元件 的安装固定方式，能有效降低对外界振动的灵敏度畸1 。 a m a d i e c h e n d u 根据实验数据对涡街流量产生的信号建立数学模型将谱预 测的方法运用到涡街流量计上哺，。 国内文献有关涡街流量计智能化方案的报道中，许多产品虽然应用了单片机 但仅仅是用于参数设置和补偿，表征流速的频率仍用硬件电路测试和计算。硬件 电路计算频率，实时性好，但易受管道噪声的影响，导致误触发，造成测量误差。 重庆大学蒙建波等采用基于最小方差自适应算法的现代功率谱估计建立流 量信号的五阶自回归( a r ) 模型，计算其功率谱，从而确定主信号频率【j 7 1 。由旋涡 发生体、热线探针、前置处理电路和a p p l e 微机构成测量系统，验证了谱分析方 法用于涡街流量计信号处理的可行性。但是，这种方法对谐波干扰的抑制能力较 差。 合肥工业大学的徐科军等人从2 0 世纪9 0 年代起，分别采用基于f f t ( 快速 傅里叶变换) 的周期图法及基于b u r g 算法的最大嫡谱法，处理涡街流量传感器的 输出信号，发现基于f f t 周期图谱分析方法对长序列的计算精度高，对谐波的抑 制能力强，处理非过零采样的数据，计算精度不受影响；基于b u r g 算法的最大 嫡谱法适用于短序列的分析，分辨率较剐引。进行仿真后，发现b u r g 算法抑制 随机噪声能力强，但抑制确定性噪声，如涡街产生的低频摆动噪声能力比周期图 法差。徐科军还采用d s p 芯片a d s p 2 1 8 1 将周期图谱分析法和数字信号处理器应 用于涡街流量计的信号处理，研制了硬、软件系统计算流量信号的频率，取得了 不错的效果。但是，采用d s p 芯片有几个难点，首先是开发设备和产品价格较高， 同等性能情况下在价格上不具备竞争力；其次它的功耗过大，现有的d s p 芯片功 耗至少有几十毫安，比如a d s p 2 1 8 1 ，它的供电电压5 v ，正常上作电流7 0 m a ，低 功耗模式下电流为1 3 m a ，显然用它开发的仪表不能用来作为4 2 0 m a 标准信号的 传输。另外在市电供给困难的场合，如野外、井下、长期无人值守等环境下，要 6 第一章绪论 求用电池长期供电，由于功耗过大使仪表不可能在电池的供电下长期正常上作。 1 4 论文研究的意义和主要内容 如前所述，在涡街流量计中存在着流量所产生信号微弱，易被噪声淹没或难 以与噪声区别等问题。本文中将先进的信号处理方法应用于涡街流量计的信号处 理，提高测量精度和抗干扰能力，尽可能精确的提取出流速信号，拓宽了涡街流 量计的量程范围。 分析涡街流量计传感器输出信号的特点可知，涡街流量计不适用于低雷诺数 测量，故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。由于涡街流量计工作 原理的关系，它易受外界振动干扰，而工业现场的振动是普遍存在的，因此，涡 街流量传感器采集回来的信号中混杂着许多干扰信号，特别是低流速时干扰信号 可能将流速信号淹没。针对涡街流量计存在的关键问题和其信号处理方法的局 限，分析不同信号处理方法的应用特点，并将先进的信号处理方法应用于涡街流 量计的信号处理，提高测量精度和抗干扰能力，尽可能精确的提取出流速信号， 拓宽涡街流量计的量程范围。文章还分析了脉动流对流量测量的影响，提出了周 期性脉动流条件下信号的处理方法。 论文共分五章，具体编排如下： 第一章，绪论 第二章，超声涡街装置的设计与实现 第三章，涡街信号处理方法 第四章，周期性脉动流对流量测量的影响 第五章，结束语 7 第二章超声涡街装置的设计与实现 第二章超声涡街装置的设计与实现 超声涡街流量计是基于卡曼涡街原理，根据旋涡流经超声波束时对声束进行 调制作用，来检测涡街信号的流量仪表。 ： 2 1 超声涡街装置的实现 2 1 1 涡街流量计的结构与基本原理 涡街流量计由传感器和转换器两部分组成，如图2 - 1 所示( 上面部分为剖面 图，下面部分为俯视图) 。传感器包括旋涡发生体、检测元件、仪表表体等；转 换器包括前置放大器、滤波整形电路、d a 转换电路、输出接口电路、端子、支 架和防护罩等。近年来智能式涡街流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模 块亦装在转换器内。 图2 1 涡街流量计的组成结构 涡街流量计是利用流体力学中著名的卡门涡街原理，即在流动的流体中插入 一个非流线型断面的柱体，流体流动受到影响，在一定的雷诺数范围内将在柱体 下游产生漩涡。当这些漩涡排列成两排、当两排漩涡的间距h 与同列中两相邻漩 涡的间距l 之比满足h l = 0 2 8 1 时，就能得到稳定的交替排列漩涡，这种稳定而 规则地排列的漩涡称为“卡门涡街”。这个稳定的条件是冯卡f - j ( v o n k a r m a n ) 对于理想涡街研究分析得到的，后来一般把错排稳定的涡街称作“卡门涡街 。 这就是卡门涡街流量计的名称由来【2 1 1 ，如图2 - 2 所示。 8 第二章超声涡街装置的设计与实现 管壁 l f 图2 - 2 卡门涡街原理示意图 理论和实验的研究都证明，漩涡分离频率，即单位时间内由柱体一侧分离的 漩涡数目f 与流体速度v 成正比，与柱体迎流面的宽度d 成反比，即： 式中： 蝴涡分离频率( h z ) ； f ：s t 与 口 ( 2 - 1 ) s 蝴特劳哈尔数( 无量纲) 。对于一定柱型在一定流量范围内是雷诺数的函 数； v - 漩涡发生体两侧的流速，r n s ； d 一漩涡发生体迎流宽度，m m 。 为了计算方便起见，可用管道内平均流速y 代替v ，根据流体连续方程，则 有 兰：l 1 2 5 旦 ( 2 2 ) vd 式中： 矿一管道内平均速度，m s ； d 一涡街流量计壳体的内径，m m 。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 一1 ) 得： 9 第二章超声涡街装置的设计与实现 厂= 墨寿( 蚴(23)d 2 5一1 r 叫r 吖 d 通过试验可以测定s ，数，其数值与柱体的断面形状、柱体流道的相对尺寸以 及流动雷诺数有关。 大量的试验表明，对于许多经过适当选择的柱型，由于实验证明，在雷诺数 r e 为2 1 0 4 7 1 0 6 范围内时，s 基本保持不变，可以认为是常数。这是仪表正 常工作范围。一旦柱体和流道的几何尺寸及其形状确定后，f 便与v 成为简单的 正比关系，因而检测出漩涡的频率，便可以测得流速，并以此推知其流量。这就 是涡街流量计的基本原理。 此时，瞬时流量为： 吼= 署所= 等脚矿( 立方黼时) ( 2 4 ) 式中： m 漩涡发生体两侧弓形面积与管道内横截面积之比。 仪表常数为： 肛屠删 ( 2 - 5 ) 一个简化了的计算瞬时流量的公式为： 吼= 3 6 k ( 立方米小时) q v = q v p ( 1 0 0 0 - t 费；d 、时) 】 ( 2 6 ) 式中：r 经过补偿后的流体密度( k g m 3 ) 。 2 。1 。2 超声涡街流量测量技术的原理 超声涡街流量计是基于卡曼涡街原理，根据旋涡流经超声波束时，对声束进 行调制作用，来检测旋涡信号的流量仪表。 它是一种涡街流量计，所以具有涡街流量计的共同特点，如输出频率与流速 成线性关系，无零点漂移；无可动部件，可靠性高；压力损失小，节约能源；量 程范围较宽，精确度较高等。 调幅式超声涡街流量计采用超声波载波，解调后得到涡街信号，克服了普通 超声波流量计，由于声速受温度影响而变化，导致测量精度受影响的缺陷。在低 流速时，调幅式超声涡街流量计更容易捕捉到频率低、幅度小的涡街信号，所以 它能达到的流量下限值很低( 在本次研究中，管直径为1 0 0 m m 时，能测到了 0 2 9 m s ) 。但是在同时，噪声信号幅值常常是有用信号幅值的5 1 0 倍。在如此大 的干扰下分离出有用信号需要做大量的信号处理工作，而且用硬件滤波的方法往 1 0 第二章超声涡街装置的设计与实现 往达不到预期效果，必须通过软件方法滤波数字信号处理的算法来实现。进 行信号处理时需要做大量的运算也是调幅式实现的一个劣势，但是随着数字信号 处理技术的发展和s o p c 技术的应用，处理这种复杂信号越来越成为可能。 调相式超声涡街流量计的突出优点是：当被测流体的外界条件( 如温度和震 动) 变化对测量产生影响时，两声路接收的信号会消除这种影响，进一步提高了 仪表对现场的适应能力。 在流速极低时，由于发生体产生的涡街信号微弱，在采用调相时测量方法是 在现有的条件下难以得到足够的有用信息，因此，在流速极低时采用调幅式的方 法往往能得到更好的效果，只是在对涡街信号处理上还要做大量的工作。 在本次研究中，为了能够在低流速的测量上取得突破，所以选择调幅式的方 法来实现流速的测量。 、 ， a 、- 一，d 图2 3 调幅式超声涡街流量计原理图 如图2 3 所示，a 、b 是一对谐振频率相同的超声波换能器，分别安装在旋 涡发生体下游侧的管壁上。a 、b 的轴线、发生体的轴线和管道的轴线都相互垂 直。a 为发射换能器，用连续、等幅的电信号激励，使之产生声强相同的超声波 速。超声波进入被测流体，并向对面传播，再到达接收换能器b 。 在流体不流动时，涡街也不产生，超声波也未受到调制。 当流体流动时，涡街从旋涡发生体两侧交错分离，随流体向下游运动，依次 经过超声波束。当旋涡与声束相遇时，旋转运动的旋涡对超声波产生反射与折射。 由于两列旋涡的旋转方向相反，对声束折射的方向也相反，但无论哪一列旋涡与 声束的相互作用，结果都使接收换能器接收的信号减小。旋涡通过声束后，b 接 收到的信号又恢复到常态。就这样流体连续流动，旋涡不断形成，对声波的调制 作用就会不断的进行。 第二章超声涡街装置的设计与实现 无旋涡调制时接收到的声波信号为： p = p os i n ( 2 z f j ) ( 2 7 ) 声束受到旋涡调制后接收到的信号为： 尸= 昂 1 + m s i i l ( 2 万) s m ( 2 万z f ) ( 2 8 ) 式中： 只声波的幅值； m 对声波的调幅度； 厂旋涡频率； 疋声波频率。 接收换能器把声信号转换成电信号，送到放大器。放大器输出的信号又经带 通、低通滤波电路得到含有高噪声的旋涡信号。再经过数字滤波后，就获得频率 为厂的正弦信号。 旋涡对超声波调制作用的大小，用调幅度m 表示，取决于旋涡的特性，旋 涡越强烈，调制度也就越大。不同旋涡发生体产生的旋涡强度是不同的。而对同 一旋涡发生体，旋涡强度则随流速的高低而变化。一般高流速时，产生的旋涡强 度要比低流速时产生的旋涡强度高，所以高流速时超声的调幅度远比低流速时大 得多。 超声在这里仅仅起到载波的作用。只要有旋涡通过它，它就被调制，调制频 率完全取决于涡街频率，而与超声本身的频率和声速无关。所以声速的变化对测 量精度不会产生影响，这又是超声涡街流量计比超声波流量计的优越之处。 2 1 3 超声涡街流量测量技术的特点 作为应用超声技术来检测旋涡信号的超声波涡街流量计，它还具有自身的特 点： ( 1 ) 下限流速低，量程范围更宽 超声涡街流量计是根据超声波在流体中传播速度与流体中的旋涡局部旋转 速度相互作用的机理，所以灵敏度高，流量计的下限流速较低。对气体而言，下 限流速可低到0 3 m s 或更低，这是应力式、电容式、应变式涡街流量计所不及 的。 ( 2 ) 抗现场电磁干扰能力强 与应力式涡街流量计相比，这是一个最突出的优点。两者都是使用压电元件 作敏感元件，但压电元件的工作方式却不相同。超声涡街流量计是用压电元件做 超声换能器，产生几十千赫到几百千赫的超声波。此时压电元件工作在谐振状态， 1 2 第二章超声涡街装置的设计与实现 等效阻抗仅几十欧，即压电元件工作在低阻抗区，有利于克服现场的电磁干扰。 在超声波接收端得到的信号，经过了超声波频率( 几十千赫至几百千赫) 的带通 滤波后，对频带以外的现场电磁干扰信号有较强的抑制能力。 相比之下，应力式涡街流量计所用的压电传感器，工作点的频率比超声频率 低l 2 个数量级。此时压电元件工作在远离谐振点的非谐振状态，表现出高阻抗 特性，其等效阻抗大于1 0 7 欧姆。为了放大压电传感器输出的微弱的电荷信号， 必须采用输入阻抗相当高的( 大于1 0 9 欧) 电荷放大器。现场电磁干扰信号极易侵 入，这是应力式涡街流量计的主要缺点之一。 ( 3 ) 抗震性能好 在工业现场，管道震动，环境震动是常见的现象。但超声波频率远离管道和 环境震动频率，所以超声波涡街流量计有较强的抗震性。 ( 4 ) 可进行不接触测量 液体超声波涡街流量计，其超声换能器可设置在被测管道外面，超声波通过 声耦合剂穿过管壁进入被测流体，对旋涡信号进行检测。这种不接触测量方式有 利于仪表对腐蚀性流体、高压流体的测量。 2 1 4 超声涡街装置的设计与实现 图2 4 超声涡街装置示意图 图2 - 4 为超声涡街装置示意图，为了能在低流速下得到较好的涡街信号，经 实验，最终选择三角形发生体。装置中管径d 为l o o m m ，发生体宽度d 为2 8 n 。 位置l 和位置2 安放频率为3 3 k h z 的超声波传感器，位置3 为旋涡发生体的位置。 第二章超声涡街装置的设计与实现 定义超声波传感器与三角形旋涡发生体项角间的距离为l 。 发生体与传感器的距离l 从2 c m 至1 7 c m ，每隔l c m 取一点，在每点上做2 5 次随机实验。纪录每个点上气体在不同流速时，能经处理后的信号，得到正确频 率的概率。 2 2 涡街流量信号处理系统的设计与实现 课题考虑到流量测量系统低功耗的要求，以及方便测试系统的数据管理和液 晶显示控制，因此测试系统的c p u 在选型上决定使用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ， 负责管理a d 转换、存储器擦除、存储器的数据写入、远程通信及l c d 数据图 形显示等工作。 鲨国 骂i 鑫薹l 图2 5 系统硬件结构框图 h 国 从涡街传感器传来的是交变的电压信号，而且其中包含大量的噪声和振动干 扰，所以要通过特定的电路变成微处理器能识别的电压信号，之后电压信号经 a d 转换电路进入c p u 。涡街信号处理电路包括信号放大电路和滤波电路。 人机交互是由m c u 应用系统中配置的外部设备构成，它是应用系统与操作 人员间交互的窗口，是系统与外界联系的纽带。一个安全可靠的应用系统必须具 有方便灵活的交互功能，既能及时反映系统运行的重要状态，又能在必要时实现 适当的人工干预。 测试系统具有数据显示功能。人机接口由键盘、液晶显示屏组成，为操作人 1 4 第二章超声涡街装置的设计与实现 员提供了简单友好的操作界面，方便操作人员使用。通信链路为一路r s 2 3 2 串 行通讯接口，异步串行i o 端口是s 3 c 4 4 b o x 自身的接口，具有高速，接口方便 的特点。 2 2 1 信号处理模块放大电路 图2 6 放大电路 接收端超声波传感器的信号比较微弱，需要放大后才能进行处理。图2 - 6 为 本次研究所用的放大电路图，其输出电压为： 圪= ( 巧。一k ：) 了2 0 0 等= 4 0 0 ( k 。一形：) ( 2 - 9 ) 第二级运放可以并联一个调相电容来做频率补偿。 2 2 2 带通滤波电路 放大后的信号要经过超声波频率( 3 3 z ) 的带通滤波电路，以滤掉超声波 频率以外的干扰信号，如图2 7 所示。 第二章超声涡街装置的设计与实现 图2 73 3 k h z 带通滤波电路图 2 2 。3 整流和低通滤波电路 接收端传感器所得信号经过带通滤波后，基本就是由超声波载波的涡街信号 了，下一步就是滤掉超声信号得到的信号的频率就是涡街信号的频率。在进行低 通滤波前先要进行整流环节，由二极管d 实现。 如图2 8 所示带通滤波得到的信号经过整流和低通滤波后传给后面的芯片进 行a d 采集。 r 1r 2 1 0k o h m5 8 5k o h m 图2 - 8 整流和低通电路图 1 6 第二章超声涡街装置的设计与实现 2 3 与上位机通信的设计 对于涡街流量信号测量系统，需要把各种信息以数据包的形式传递给计算机 进行分析和保存。因此，在测试系统中，为了方便把测试数据传输给计算机，利 用s 3 c 4 4 8 0 x 自带串行通讯接口，完成测试系统与p c 机之间通信设计。异步串行 i o 端口是s 3 c 4 4 8 0 x 自身的接口，具有高速、方便的特点。 2 。3 1 串行通信接口电路 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x d t x d 和g n d 即可。串行接 口电路如2 9 所示。 图2 - 9 串行通信接口电路图 设计中采用了m a x i m 公司的m a x 2 3 2 芯片，因为一片m a x 2 3 2 芯片可以实现 t t l 和r s 一2 3 2 c 之间的转换，设计简单。为缩小电路板面积，系统只设置一路串 行r s 2 3 2 通信链路，并选用9 芯的d 型插头。 2 3 2 上位机通讯 c + + 语言是目前使用最广泛的基本编程开发语言。c + + b u i l d e r 即是一种以 c + + 语言为基础的优秀可视化开发工具，功能强大，使用灵活，编译执行快速。 本设计中实现串口通讯使用的方法是：用p c o m m 处理p c 机的串口通信。p c o m m 是台湾m o x a 公司出品的一款功能十分强大的专业串口通信软件，支持c + + b u i l d e r 开发工具。其上位机界面如图2 - 1 0 所示： 1 7 第二章超声涡街装置的设计与实现 2 4 小结 图2 - 1 0 上位机通讯界面 本文首先介绍了涡街流量计的基本原理和组成结构，然后重点讨论了超声涡 街流量技术的测量原理的实现方法，以及它的特点，接着对超声涡街装置的设计 与实现做了介绍，最后研究了超声涡街信号处理系统的实现方法。 1 8 第三章涡街信号处理方法 第三章涡街信号处理方法 3 1 涡街输出信号概述 3 1 1 涡街输出信号特点 涡街流量计的输出信号由两部分组成：一是由流速产生的实际涡街信号，二 是由干扰引起的噪声信号。噪声信号中又有确定性分量和随机分量。主要噪声信 号有： ( 1 ) 流体流动噪声 管道内流动介质的紊流、脉动、流场的不稳定及不均匀性对涡街发生体施加 不规则的附加作用力。这种作用力引起的噪声幅度、频率均不规则，呈现很大的 随机性。 ( 2 ) 流体低频摆动噪声 当规则涡街产生后，在工作信号上会迭加一种五分之一到十分之一涡街频率 的低频噪声，其幅度略小于涡街信号，频率的高低与涡街发生体的几何形状有关。 ( 3 ) 机械振动噪声 输送流体的管道偶尔受到外力撞击，会产生随机振动噪声。各种动力源，如 水泵、压缩机等的振动由管道传递到传感器上，造成涡街发生体上产生附加的惯 性应力，形成振动噪声。 因此，在理想情况下，涡街流量计输出信号为正弦波。但实际上涡街信号中 含有较复杂的噪声成份。噪声的频率、幅值变化规律因现场使用条件而不同。 3 1 2 涡街输出信号的问题 由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振动干扰，而工业现场的振动 是普遍存在的，而且涡街流量计量程