（检测技术与自动化装置专业论文）基于tms320f2812+dsp的数字涡街流量计的研究.pdf

摘要 涡街流量计因其介质适应性强，无可动部件，结构简单、可靠性高、压力损 失小、使用寿命长等诸多优点，在许多行业得到了广泛的应用，具有良好的发展 形势。而在低流速和管道振动的情况下，涡街测量就凸显出了它的不足，涡街信 号的信噪比很低，有用信号几乎被噪声淹没。国内外许多学者及研究机构对涡街 流量计的研究也主要是针对如何解决其低流速测量和振动噪声干扰下的测量问 题。 鉴于涡街流量计存在的不足，本课题组研究成功了基于m s p 4 3 0 单片机和 d s p 双核处理系统的脉冲输出型数字涡街流量计，有效地解决了低流速测量问 题。本课题借鉴了前人的研究成果，在低流速测量和管道振动干扰下的测量两方 面均做出了努力，研究并成功地设计了一台基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的数字涡街 流量计。 本论文主要完成了以下工作： 1 、改进了前人双核设计的思路，设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的数字涡 街流量计的总体方案，采用双通道处理的方式，将低流量下数字信号处理的频谱 分析功能和正常流量范围内智能涡街的计频功能有机地结合起来，由d s p 独立 完成。 2 、应用振动台模拟管道振动，对管道振动条件下的涡街流量计的测量进行 了研究，根据涡街信号的特点，提出了采用数字陷波频域算法的处理方法，并将 其应用于本课题设计的数字涡街流量计中。 下述实验证明了本论文设计工作的可行性： l 、通过在天津大学过程检测和控制实验室的水流量实验装置以及气体实验 装置上进行的实验研究，表明本课题设计的数字涡街流量计有效地降低了涡街的 流量下限，扩展了量程比。 2 、通过相同振动条件下与横河公司和a b b 公司生产的数字涡街流量计的抗 振性能比较试验，表明本课题设计的数字涡街流量计的抗振性能在同类仪表中具 有一定的优势。 关键词：数字涡街流量计，d s p ，管道振动，数字陷波的频域方法 a b s t r a c t v o r t e xf l o w m e t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd i f f e r e n tf i e l d sd u et oi t s a d v a n t a g e so fa d a p t i v i t y t ov a r i o u sm e d i a ，n o n m o b i l ep a r t s ，s i m p l es t r u c t u r e ， s t a b i l i t y ，l o wp r e s s u r el o s sa n dl o n gl i f ee t c ，w h i c hp r o m i s et h a ti th a s ab r i g h tf u t u r e h o w e v e r ，i th a sp o o rp e r f o r m a n c ew h e no p e r a t e da tl o wf l o wr a t ea n du n d e rp i p e v i b r a t i o n sc o n d i t i o n sw h e r et h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oi sv e r ys m a l l ，e v e nt h es i g n a li s s u b m e r g e db yt h en o i s e m a n ys c h o l a r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sd om a n ys t u d i e so n v o r t e xf l o w m e t e rt os o l v et h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s i n a s m u c ha st h es h o r t a g eo ft h ea n a l o gv o r t e xf l o w m e t e r ，ap u l s eo u t p u tt y p e d i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yo u rr e s e a r c hg r o u p ， w h i c hh a sb o t hd s pa n dm s p 4 3 0m i c r o c o m p u t e r ，ad o u b l e c o r es t r u c t u r e t h ed i g i t a l v o r t e xf l o w m e t e ri nad o u b l e c o r es t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mt h a t v o r t e xf l o w m e t e ri so p e r a t e da tl o wf l o wr a t e i nt h ec o n t e x to ft h ep r e v i o u se f f o r t s ， t h ea u t h o rm a d ee f f o r t si nb o t ht h ef l o wm e a s u r e m e n ta tl o wf l o wr a t ea n dt h e p r o b l e mu n d e rp i p ev i b r a t i o n sc o n d i t i o n s a n dt h a tad i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 812d s pi sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y t h e m a i n l yw o r k s o ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 i m p r o v i n gt h ep r e d e c e s s o r sd o u b l e - c o r e - s t r u c t u r et h o u g h t ，i ti sd e s i g n e dt h a t n e wd o u b l e c h a n n e lt y p ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812d s p i t s p r i n c i p l ei sd s p d e t e c t st h ev o r t e xs i g n a li nt w od i f f e r e n tc h a n n e l s s p e c t r u ma n a l y s i s o fd i g i t a ls i g n a li su s e da tl o wf l o wr a t ea n df r e q u e n c yc o u n t i n gl i k ea n a l o gv o r t e x f l o w m e t e r si su s e di nt h er e g u l a rf l o wr a n g e a l lo ft h et a s k sa r ea c c o m p l i s h e db y d s po ni t so w n 2 i m p a c to fp i p ev i b r a t i o n so nv o r t e xf l o w m e t e r su n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n si s s t u d i e d ，u s i n gt h ev i b r a t i o n se q u i p m e n t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev o r t e x s i g n a l ，t h em e t h o do fd i g i t a ln o t c hi nf r e q u e n c yd o m a i ni su s e d a n dt h em e t h o di s r e a l i z e di nt h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e r t h e f o l l o w i n ge x p e r i m e n th a sp r o v e nt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r e s e n td e s i g n ： 1 。t h ef l o w m e t e ri sc a l i b r a t e dr e s p e c t i v e l ya tt h ew a t e ra n dt h eg a sf l o w e x p e r i m e n tf a c i l i t i e st h a tl o c a t ea tt h ep r o c e s sd e t e c t & c o n t r o ll a b o r a t o r yi nt i a n j i n u n i v e r s i t y a n dt h ed a t as h o w st h a tt h ed i g i t a lf i o w m e t e rh a st h eb e r e rp r o p e r t ya tu a e g r e a t e rr a n g er a t i o 2 i nt h es a m ep i p ev i b r a t i o n sc o n d i t i o n s ，t h ed i f f e r e n t d i g i t a l v o r t e x f l o w m e t e r sm a d eb yy o k o g a w a ，a b ba n du sa r et e s t e dt o g e t h e r t h r o u g h c o m p a r i s o n ，t h ed a t as h o w st h a tt h ed i g i t a lf l o w m e t e rd e s i g n e db yu sh a st h eb e t t e r p e r f o r m a n c ew h e no p e r a t e da tl o wf l o wr a t ea n du n d e rp i p ev i b r a t i o n sc o n d i t i o n si n t h el i k ef l o w m e t e r s k e yw o r d s ：d i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e r ，d s p ，p i p ev i b r a t i o n s ，d i g i t a ln o t c hi n f r e q u e n c yd o m a i n 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，也不包含为获得苤鲞态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：礴核 签字日期：a 为年g 月6 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨宣盘鲎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) 学位论文作者虢督蚣 签字日期：a 6 年6 月6 日 导师签名酾沥 签字臼期：乃伊喁年石，月莎同 第一章绪论 第一章绪论 早在1 9 1 6 年爱因斯坦提出了广义相对论，但当时不具备验证的测试条件，阻 碍了这一理论发展近五十年。后来天文学上的发现和许多精确的检测技术对这个 理论进行了成功的验证，才使广义相对论重新得到重视和发展，这一事实说明了 科学和检测技术之间的密切关系n ，。 随着科学技术的迅速发展，生产过程自动化已成为当今各生产行业面对的一 大问题，而过程检测是生产过程自动控制系统的重要组成部分。实施任何一种控 制，首要问题是要准确及时地把被控参数检测出来，并变换成为调节、控制装置 可识别的方式，作为过程控制装置判断生产过程的依据瞳1 。作为感知、采集、转 换、处理和传输各种信息不可缺少的检测技术和仪表，已经成为与计算机同等重 要的技术而深入日常生活及生产的所有领域。各种新兴科学技术的突飞猛进，促 使工业生产得到不断发展，其对检测技术又提出了许多新的要求，而新的检测技 术和仪表的出现又进一步推动了科学技术的发展，故检测技术的发展程度决定了 科学技术的水平，换句话说检测技术和仪表是衡量现代科学技术水平高低的一个 标志n 1 。 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口1 。作为检测技术重要 组成部分的流量计量由于与国民经济、国防建设、科学技术的密切关系，在经济 发展中占有重要的地位。 2 0 世纪以来，由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求 的急剧增长，促使流量测量仪表得到迅速的发展，各种新型流量仪表大批量地涌 现出来哺1 。本课题研究的涡街流量计正是近几年发展较快的流量计之一。 1 1 涡街流量计概述 现阶段，用于工业流量测量的仪表种类繁多，各具特色。按照测量方法和结 构的不同，可以分为差压式流量计、容积式流量计、流体振动式流量计、超声式 第一章绪论 流量计、插入式流量计、明渠式流量计和其他流量计共十一大类哺1 。其中，涡街 流量计是流体振动式流量计中应用最为广泛的一种。 利用流体振动原理来进行流量测量的流量计统称为旋涡流量计。即在特定流 动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速( 或流量) 有一定的关系。这种流量计可以分为自然振荡的卡门旋涡分离型和流体强迫振荡 的旋涡进动型。前者称为涡街流量计，后者称为旋进旋涡流量计。除此以外，还 有射流流量计以及一种比较新型的空腔振荡流量计也属于旋涡流量计的范畴h 1 。 在旋涡流量计中，涡街流量计的特点发挥得比较充分，被用户接受较早，发 展最迅速阳1 。在流体中设置旋涡发生体( 阻流体) ，从旋涡发生体两侧交替地产 生有规律的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排 列，涡街流量计通过测量其旋涡产生的频率而实现流量计量旧1 。 世界上最早研究涡街现象的人是匈牙利物理学家斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 哺1 。 早在18 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关系的文 章，斯特劳哈尔数就是表示涡街频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。 人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，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方法的涡街流量计，并大量生产投放 市场，像这样在短短几年时间内就到达从实验室样机到批量生产过程的流量计还 绝无仅有n 0 1 。 按照不同的分类方法，涡街流量计可以分成不同的类型。按流量传感器与管 道连接方式划分，涡街流量计可以分成法兰连接型( 法兰型) 和法兰夹装型( 夹 装型或夹持型) 。按传感器结构形式划分可以分成管道式涡街流量计和插入式涡 街流量计。按传感器和转换器的组成划分可以分成一体型涡街流量计和分离型涡 街流量计。按仪表的功能划分可以分成常规型涡街流量计和智能型涡街流量计。 按涡街信号的检测原理划分，涡街流量计可大致分为两大类：一类是检测产生旋 涡后在旋涡发生体附近的流动的变化频率，如热敏式、磁电式、超声式等；还有 一类是检测产生旋涡后在旋涡发生体上受力的变化频率，如应力式、应变式、电 容式等n 1 。其中，应力式( 又称为压电式) 涡街流量计以其响应快、信号强、工 作温度范围宽、现场适应性强、可靠性高等优点，己成为涡街流量计的主要产品 类型。这种涡街流量计中，它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电检测 元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡信号。压 电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低，但是对振动比较敏感副。 2 第一章绪论 自从1 9 6 9 年日本横河电机株式会社和美国e a s t e c h 公司几乎同时推出世界上 首批涡街流量计以来，因其在制造、使用和维护方面较其他类型的流量测量仪表 有着独特的优势，所以涡街流量计在轻工、化工、电力、冶金、城市公用事业等 领域得到了广泛的应用，具有广阔的前景。 总结涡街流量计的主要特点如下嘲7 m 3 1 ： 1 、输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流 体组分、密度、压力、温度的影响，适用于流体总量测量，无零点漂移； 2 、压力损失较小，测量范围较大，可达1 0 ：l 到2 0 ：l 甚至更大； 3 、与差压式流量计、浮子流量计等相比，其测量的精度较高，一般可以达 3 i u + lo a 士2 ： 4 、仪表内无机械可动部件，可靠性高，构造简单牢固、维护方便、安装方式 灵活、安装费用较低； 5 、适用范围较广，可用于液体、气体、蒸汽、低温介质和各种腐蚀性与放 射性介质的流量测量，气液通用； 6 、可根据介质和现场选择相应的检测方法，仪表的适应性较强； 7 、在一定的雷诺数范围内，涡街流量计输出信号频率不受流体物性变化的 影响，仪表系数仅与旋涡发生体形状和尺寸有关，与流体的密度无关，为旋涡发 生体的标准化创造了条件。而气体的密度随温度、压力的不同而变化，所以相比 现在常用的差压式流量计和浮子流量计等仪表系数受流体密度影响比较大的流 量测量仪表，涡街流量计更适合于测量气体。 但涡街流量计也存在着一定的局限性口】 1 3 1 ： 1 、这是一种速度式流量计，旋涡分离的稳定性受流速分布的影响，按上游 不同形式阻流件，应配置足够长的直管段，才能保证测量的精确度； 2 、不适用于低雷诺数的流体测量( 一般2 x 1 0 4 ) ，所以对于高粘度、 低流速、小口径情况下的应用受到限制： 3 、与同口径涡轮流量计相比，仪表系数较低，且随口径增大而降低，分辨 力也降低，一般满管式流量计的通径大都在3 0 0 m m 以下； 4 、不适用于管内有较严重的旋转流以及管道产生振动的场所； 5 、旋涡分离时管内局部压力会明显下降，测量液体时，当压力降到液体当 时温度所对应的饱和蒸汽时，将发生“气蚀”现象，因此上限流速受到压损和“气 蚀”现象的限制； 6 、混相流、脉动流对测量有影响，在某些情况下甚至难以形成涡街，仪表 无法工作； 7 、历史较短，理论基础和实践经验不足。 第一章绪论 1 2 涡街流量计研究中的主要问题 应该看到，涡街流量计尚属发展中的流量计，无论其理论基础还是实践经验 尚较差。一方面，至今其流量方程经常引用卡门涡街理论，而此理论及其一些定 量关系是卡门在气体风洞( 均匀流场) 中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不 均匀流场的旋涡分离的规律是不一样的。另一方面，实践经验更是需要通过长期 应用才能积累n 劓。 涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的流动状 态特别敏感，如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力的变化，产生的 随机脉动压力等，现场的干扰对流量测量产生很大的影响。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，原始信号非常微弱，易受各种噪声的 影响，当噪声信号较强时，涡街信号将完全被噪声淹没，使得其存在一个测量下 限的死区，从而造成量程比受限，小流量不能测量n 副；三是提高抗振性能。涡街 流量计就是依靠流体振动进行流量测量的，它不仅能检测流体的振动，对管道机 械振动同样敏感，如何能从夹杂着管道振动噪声的信号中把涡街信号提取出来也 是目前研究的热点。 市场上的大部分涡街流量计广泛采用的信号处理方法是基于模拟电子技术 的信号处理方法，即由电荷放大器、滤波器和整形器组成。它将压电元件输出的 高阻抗电荷信号通过电荷放大器转换为交变电压信号，再通过积分电路、滤波电 路，去掉信号波形上的高频成分，然后，对信号进行整形，最后得到对应于涡街 频率交变升力的方波电压输出。在高信噪比的情况下，这种模拟信号处理方法处 理流量计检测信号的效果是很好的，但是，当涡街流量计处于恶劣的工作环境下， 存在管道的机械振动或者流体脉动，当这种信噪比较低、检测信号中包含了幅值 较大的周期性或冲击噪声时，模拟信号处理方法不能有效的滤除噪声成分，容易 造成整形时的误触发，产生错误的测量结果n 们。 从流体力学角度讲，在范围很宽的雷诺数范围内都会产生涡街现象，并且在 此范围内管道中流体的流速和涡街的频率成正比，此时涡街频率的变化范围一般 为1 h z - - - 2 5 0 0 h z 左右，而噪声不仅来源、成分复杂，而且其频带往往位于有用信 号的频带中，因此很难用一般的模拟电路的方法去除所有强噪声；而且值得注意 的是，有用信号波形的峰值大致与流速( 涡街频率) 的平方成正比，因此当在低 4 第一章绪论 流速下测量时，涡街频率较低，信号幅值较小，信噪比降低，经常性的噪声( 如 流动噪声、管道机械振动噪声) 的幅值则相对增强，以至于淹没有用信号；由于 这些情况主要出现在测量的低量程段，信号处理方法的不足直接导致了流量计的 量程的缩小u 6 1 。 涡街流量计的理论量程比为10 0 ：l ，而目前模拟涡街流量计的量程比最大为 1 0 ：1 n 射。其实质性原因在于低流速下测量的困难，所以扩大量程比的问题转化 成为了扩大涡街流量计测量下限的问题，同时也给如何处理管道振动等噪声信号 提出了更高的要求。因此，抑制管道振动噪声信号、扩大涡街流量计的量程比这 问题成为了涡街流量计研究的十分重要的研究课题之一。 1 3 涡街流量计的国内外研究现状 涡街流量计是目前发展势头十分良好的流量计，在管道流量测量中得到了广 泛的应用，并已跻身于通用流量计之列。但涡街流量计尚属发展中流量计，其理 论基础和实践经验比较薄弱，在使用中，还会出现一些预想不到的问题。为了解 决这些问题，国内外科研工作者进行了大量的研究工作，并取得了一定的进展。 研究工作主要集中在以下几个方面：涡街流量计中旋涡分离的研究，涡街流量计 旋涡发生体形状的研究，涡街信号检测方法的研究以及涡街信号分析和处理的研 究等n 劬。 1 、对旋涡分离规律的研究 1 9 9 4 年，g o u j o n d u r a n d 等n 通过可视化实验技术观察和分析了梯形钝体后 的涡街动态特性，用激光多普勒测速仪测量了尾流中流体速度，得到由涡街引起 的速度周期性波动的最大幅值及出现的位置与雷诺数的关系，发现在钝体后不同 位置，速度的波动幅值是不同的，随着旋涡向下游运动，速度幅值先增加，在某 一位置达到最大值后，再逐渐衰减。速度最大幅值和出现位置与雷诺数满足一定 关系。 1 9 9 6 年，z d r a v k o v i e h n 踟对各种不同涡街模式进行了研究，提出涡街形成机 制并不是统一的和唯一的，会存在变异，特别是当雷诺数不同时，变化会更大。 1 9 9 7 年，w i l l i a m s o n n 钔通过对三维钝体绕流在比较宽的雷诺数范围内进行了 研究，分析了s 仃o u h a l 数和压力系数与雷诺数的关系，发现了随着雷诺数的增加， 尾流从层流涡街向湍流涡街转变，并观察到涡街的三维特性，如流体绕过圆柱钝 体后出现的旋涡的错位，涡街的倾斜，相位的突变和扩展等。 2 0 0 2 年，k a h a w i t a 堙们用分步样条算法对不同的梯形形状进行数值计算，得出 梯形形状参数中高度是影响s t r o u h a i 数的主要因素，并且证实了该算法的有效性。 第一章绪论 2 、对旋涡发生体的研究 1 9 9 3 年，m i a u 等对t 形旋涡发生体进行研究得出，t 形的延伸段长度l 和 迎流面宽度d 之比值在1 5 6 - - 2 0 时，涡街信号较强，信噪比高，仪表线性度最 好2 。 1 9 9 3 年，b e n t l e y 和b e n s o n 乜2 1 对多种立方柱体进行组合，通过实验对组合而 成的旋涡发生体进行了实验，实验发现由两个或三个柱体组合而成的旋涡发生体 旋涡产生的强度和稳定性要强于单一立方柱体。 1 9 9 6 年，n a k a m u r a 乜4 3 对圆形、半圆形、半圆形与矩形组合、矩形和三角 形等带有延伸段的发生体作了更详细的研究，宽度为d ，同时改变发生体后面延 伸段长度l ，发现对s r 数影响最大的因素是l d 而不是发生体形状，s r 数随着l d 增加而减小，这是因为发生体延伸段长度会改变尾流涡街形成区域的流场结构， 这将给涡街流量计中旋涡发生体形状和参数设计带来帮助。 2 0 0 0 年，o l s e n 等堙副对直径方向带有一定宽度槽的圆柱发生体进行了研究， 单圆柱发生体变为双半圆的双发生体，这时形成的涡街强度和稳定性优于单圆柱 发生体。 2 0 0 4 年，j i e g a n gp 等曙翻对不同三角形柱体进行组合，选择出了双三角形柱 体组合出的最佳旋涡发生体。 龚振起、彭杰纲等分别在1 9 9 7 年，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年先后研究并研制了双发生 体涡街流量计，生成的涡街具有较强的旋涡强度和较好的稳定性，压力损失小， 抗振性能有所提高，并且能降低涡街流量计测量下限2 7 m 羽乜引。 3 、对涡街信号检测方法的研究 k e n t 公司生产的涡街流量计首次采用了电容的方法。电容检测一般采用差分 电路因此抗振性能好，缺点是不适合测量脏圬以及有腐蚀性的流体b 刚。 2 0 0 0 年，m i a u 等m 1 通过实验证明在压电物质外层包以橡胶，再在外面敷设 一层硅膜，能有效减低压电晶体对外界振动的灵敏度。 2 0 0 1 年，莫德举等n 2 1 提出在旋涡发生体下游安装永久磁铁和信号电极，根据 电磁感应定律，用电磁法检测涡街频率。 v h a n 等3 3 m 5 聃1 分别在1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 2 年和2 0 0 3 年对超声检测涡街 频率进行了一系列的分析，在旋涡发生体下游对称安装超声波发射换能器及接收 换能器，超声波在流体中传播时，受到旋涡信号的调制，经信号处理后能得到涡 街频率信号。 王波b 、桑传n 踟东等分别在2 0 0 3 年和2 0 0 4 年提出用光纤传感器检测涡街频 率，利用光纤内光强度的变化来进行测量。这种方法能抗电磁干扰，具有电器绝 缘性。 6 第一章绪论 2 0 0 4 年，b e t a 等拈鲫提出了将电感传感器用于涡街频率的检测方法，得到了较 好的效果。 日本横河电机有限公司研究了旋涡升力和管道振动引起的应力分布的不同， 发现用两片反向安装的压电元件作检测元件，感受到由旋涡升力引起的电荷量两 倍于单个压电元件，而由外界引起的管道振动等干扰噪声能部分得到抵消1 。 4 、对涡街信号分析及处理的研究 在对涡街流量计的研究中，涡街信号的分析和处理是众多研究中比较关键的 一个环节h 。而这方面的研究主要可以分为两个方面：第一，扩展涡街流量计的 测量下限；第二，提高涡街流量计的抗干扰性能，例如管道机械振动、流体噪声 等。 国外很多学者、研究机构和公司都很热衷于这方面的研究，并取得了一定的 成绩： 1 9 9 0 年，s c h l a t t e r 等1 人研究了旋涡流量计工作条件下的噪声情况，在建立 噪声模板和信号模板的基础上，提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来 消除流量测量中的强噪声。 1 9 9 2 年，k a w a n o h 3 1 在涡街信号处理方面通过增强非流线体的刚度和由微处 理器控制的自适应低通滤波方法来提高流量计的信噪比，同时又采用自适应低频 信号截止辨识器，根据信号频率来调整滤波器的截止频率，改善了仪表的抗干扰 性能。 a m a d i e m 儿4 5 3 等分别在1 9 9 2 年和1 9 9 3 年研究了工作环境的噪声对旋涡脱离 频率的影响，分别给出了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下，流量计 传感器输出信号，采用基于f f t 的谱分析来计算旋涡信号频率，提高了流量计的 测量精度。 2 0 0 1 年，m a s a n o r ih o n d o h 等h 6 1 提出的结合传统电路分析、滤波技术和周期 图谱分析方法的涡街信号处理系统，以微处理器为核心，利用信号频谱分析的结 果，调整带通滤波器参数，以除去噪声，提高测量精度。 日本y o k o g a w a 公司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s s p ( s p e c t r a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，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。 一 国内的专家学者也在不断作出努力，采用先进的数字信号处理技术，解决应 用上的关键问题n 副。 2 0 0 2 年，西北工业大学的刘轶等“力把自回归模型谱估计应用到涡街理论测量 中，提高测量精确和抗干扰性。但其测量系统本身机械振动较大，使测量结果较 7 第一章绪论 之理论结果有一定差距。 2 0 0 3 年，中南大学的李文炜等m 1 采m t o e p l i t z 自相关矩阵近似的准牛顿算法， 对涡街传感器输出信号进行数字信号处理，设计以m s p 4 3 0 单片机为核心的智能 涡街流量计。 2 0 0 4 年，上海大学的陈洁等h 钉讨论了f f t 谱分析方法在涡街信号处理上应用 的优势和缺陷，提出了应用人工智能方法修正的想法。 浙江大学黄咏梅等嘞】 5 1 3 分别在2 0 0 3 年和2 0 0 5 年提出了d f t 递推算法和基于 h i l b e r t - - h u a n g 变换的数字信号处理方法，d f t 递推算法按逐点递推的方式计算 信号频率，计算量明显减小；h i l b e r t - - h u a n g 变换计算量小，能够满足涡街流量 计在实际工程应用中的要求，此算法是1 9 9 8 年刚提出的，在时域和频域均有较高 的分辨率。应用在正常流量范围内的效果还可以，但是对于小流量没有进行研究。 合肥工业大学的徐科军等先后研究了基于f f t 的经典谱分析法啼刳、最大熵谱 法障3 1 、自适应陷波方法嘲3 、小波分析方法畸副、功率谱分析方法和互相关法嘞3 、自 适应滤波方法畸7 1 等多种数字信号处理方法，并研制了基于d s p 的硬件系统，采用 了变频率采样、程控放大器、环型数据队列等技术，利用周期图谱分析的方法计 算涡街信号频率，处理系统用函数信号发生器的输出信号进行了性能测试实验， 达到比较好的效果呻，。 近几年来，由天津大学自动化学院的张涛教授主持的涡街信号处理的研究也 取得了很大的进展，研究了松弛陷波周期图法5 州6 0 1 、子波变换消噪方法6 1 m 2 1 旧3 、 双抽样率判别滤波法删、频谱分析方法、双窗松弛陷波周期图法和基于d u f f i n g 振子的混沌算法哺叼嘲1 等一系列信号处理方法，并将这些方法用于对涡街信号的处 理，取得了很好的效果。 随着涡街流量计的应用范围的不断拓宽，其容易受到管道振动影响的缺点逐 渐显露出来，为提高涡街流量计的性能，使其能适应各种工况环境正常工作，许 多研究人员在提高其抗振性能方面作了研究。 1 9 9 2 年，姜仲霞阳7 3 针对管道振动干扰，在传感器设计方面分别从简支梁的设 计、差动传感器结构、采用振动应力释放结构三个方面给出了解决方案。 19 9 2 年，蒙建波等旧1 从流体振荡和管道振动着眼，以修正线性预测谱估计法 进行频谱分析，提出一种自适应频率测量方法，经过仿真和实验验证，取得了良 好的效果。 1 9 9 4 年，池兆明等 6 9 】研究了电容式涡街流量计，剖析了其采用的差动开关电 容传感器的基本结构原理，分析了其具有抗振动能力强的特点。 1 9 9 7 年，刘晖n 们从压电元件受力系统分析入手，研究了选择压电元件合适的 安装位置来解决涡街流量计的抗振性能，并给出了电路分析，实践证明，这种方 第一章绪论 案取得了较好的效果。 1 9 9 8 年，李学南m 1 分别研究了电容式、压电应力式和超声波式涡街流量计的 抗振动性能，得出电容式和压电应力式涡街流量计只能抗二维( 流体流动方向和 与旋涡发生体平行方向) 振动，超声波式涡街流量计具有抗三维振动能力的结论。 1 9 9 9 年，荷兰t n o t p d 流量中心e v a nb o k h o r s t 等m 1 人利用其振动试验装 置，对商用涡街流量计进行了零流量下扫频试验和实流条件下固定振动频率试 验，通过对电流输出的误差分析，研究了轴向、垂直方向、水平方向管道振动对 商用涡街流量计测量的影响。 2 0 0 1 年，薛润林等m 1 对工况条件下的涡街流量计的测量进行分析，根据其工 况条件，提出在使用涡街流量计时加装防振接头的方案。这种方案可以直接衰减 管道振动对涡街流量计的影响，在实践中取得了良好的效果。 2 0 0 5 年，潘岚等n 4 1 针对涡街流量计抗干扰性能差的缺点，设计了悬浮式差动 传感器这一新型结构，使流量计一次仪表输出信号的信噪比大大提高。实验结构 表明，采用这种传感器结构的涡街流量计的抗干扰性能得到显著改善。 1 4 课题提出的背景和意义 涡街流量计能在较短的时间内得到迅速发展并在生产过程中被广泛应用，正 是由于其具有诸多显著的优点。同时，应该注意到涡街流量计仍有许多亟待解决 的问题。在测量微小流量时，涡街的有用信号非常微弱，很容易被各种噪声信号 淹没，这给低流速下的测量造成了很大困难；此外，涡街流量计是应用流体的振 动进行流量测量的，传感器不仅能检测到流体的振动，对管道的机械振动同样敏 感，而工业现场测量管道常会由于各种机械产生受迫振动，这些问题使涡街流量 计的应用范围受到限制。 针对这些问题，国内外很多学者以及科研机构纷纷研究并提出各种解决方 案，分别从传感器的设计以及应用数字信号处理的方法来解决。采用压电式传感 器的涡街流量计即使优化了传感器设计也不能达到人们满意的效果，而应用数字 信号处理来解决这一问题的大部分只是停留在方法上的研究，并没有将高效率的 算法应用于实际，服务于生产。目前，国内生产的涡街流量计大部分还限于应用 模拟电子电路的方法对涡街信号进行处理( 称为模拟涡街流量计) ，这样不能真 正解决低信噪比条件下的问题，导致其测量下限过高，量程比只能达到1 0 ：1 ， 远远低于理论量程1 0 0 ：1 。国外也只有y o k o g a w a 、r o s e m o u n t 和a b b 等几家公司 以及国内的极少数公司研制开发出了应用数字信号处理的方法处理涡街信号的 涡街流量计，即数字涡街流量计，但是具体的技术并不公开h 副。 9 第一章绪论 近几年，关于涡街信号的数字信号处理方法研究有很多( 如小波变化法、自 适应l m s 算法等) ，由天津大学张涛教授主持研究的涡街传感器输出信号的数字 信号处理方面的探索获得了很大的进展。孙宏军副教授阳1 根据涡街信号的特点建 立了涡街流量传感信号的模型，并分别针对基于谱估计方法、基于小波分析技术 和基于双抽样率判别滤波的方法对涡街流量信号处理进行了研究，经过仿真实验 得到了很好的效果。凌箐硕士根据涡街信号的特点及其对信号处理方法的要求， 借鉴最大似然谱估计方法的研究成果，在周期图法的基础上提出了更适用于涡街 频率估计的松弛陷波周期图法，并进行了仿真实验啼们呦例。该方法兼有高频率分 辨率和高计算效率的特点，有很强的抗复杂噪声干扰的能力。吴鹏硕士基于子波 变换消噪原理，结合流量测量特定要求，提出了一种适用于涡街流量传感器信号 处理的单支重构滤波方法，同时给出了滤波级数的选取方法，这种计数方法能够 有效地扩大涡街流量传感器的量程下限哺小剜扣引。郑丹丹博士分别采用双窗松弛 陷波周期图法、改进的h h t ( h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ) 算法和基于d u f f i n g 振子 的混沌算法，对涡街信号进行处理，经过实验，取得了良好的效果司嘟儿7 7 3 。但是， 以上方法由于算法本身的复杂性，使得计算量庞大、实时性无法得到保证，难以 应用于实际。 随着数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 技术的飞速发展 及广泛应用，使得复杂的信号处理算法得以在硬件上实现。经过段瑞峰硕士、邢 娟硕士的先后努力，已经研制出了一套以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 与m s p 4 3 0 f 1 4 9 单 片机相结合的双核结构的数字涡街信号处理系统，采用松弛陷波周期图法计算低 信噪比涡街流量计信号的频率，并且可以实现脉冲输出。为了降低系统的功耗， 张清鹏硕士以t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9d s p 代替t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p ，采用基于快速傅里 叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f f t ) 的功率谱估计算法，以测得涡街信号 频率。实验结果表明，这种双核式数字涡街流量计信号处理系统能够保证处理数 据的实时性，并且可以有效地降低测量下刚1 6 儿4 1 儿7 司口8 1 。该系统的优点显著，但也 存在着它的缺陷。尽管整个系统全部选用低功耗器件，在软件设计方面也注意到 尽可能降低系统运行的功耗，但由于在d s p 中运行复杂的数字信号处理算法，系 统的功耗并没有达到低功耗仪表的要求，很难实现两线制4 2 0 m a 输出；另外， 系统应用高端的d s p ，而其任务只是进行部分数据的运算和传输，大部分功能被 闲置，造成了功能的浪费，增加了系统的成本。 而对于涡街流量计抗振性的研究可以分为几个方面：大部分都是从仪表安装 的角度出发，加装防振接头或者紧固装置，尽可能减小管道的振动；对于传统的 解决压电式涡街流量计的抗振性，大多采用差动传感器的结构，而目前其内部的 封装技术并不公开：信号处理方面的研究经过仿真，得到满意的效果，但目前还 l o 第一章绪论 没有应用于实际管道振动条件下涡街流量计的测量，况且算法大都很复杂，很难 应用于仪表中。荷兰t n o t p d 流量中心e v a nb o k h o r s t 等人在振动条件下进行 了涡街流量计测量的比较试验，通过对测量误差的分析，研究了不同方向管道振 动对涡街流量计测量的影响，而此时涡街信号与振动信号的情况并没有明确给 出，也没有提出明确的解决方案。 1 5 课题的研究内容和创新点 本课题正是针对上面提到的双核系统数字涡街流量计的不足之处，设计了基 于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的数字涡街流量计，经过实流标定实验，在涡街流量计的 下限测量范围取得了良好的效果；并应用振动台模拟管道的机械振动，进行振动 条件下的涡街流量计的流量测量试验，针对特定频率的振动信号，提出采用数字 陷波的频域方法进行处理，并在d s p 中得到应用。 本课题的主要研究内容如下： 1 为了提高系统选用的数字芯片的利用率，降低系统成本，本课题以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心，设计了数字涡街信号处理系统，改进了前人采用的 双核系统的结构，并提高了系统的运行速度，实现了双核系统的全部功能。 2 将本课题设计的数字涡街信号处理系统应用于实流装置进行管道实验。 3 应用振动台模拟管道振动，对管道振动条件下的涡街流量计的测量进行了 研究，分析了涡街信号，将数字信号处理算法由d s p 实现，取得了一定的效果； 并在相同条件下将本课题设计的数字涡街流量计与横河公司和a b b 公司生产的 数字涡街流量计的抗振性能作比较。 本课题的创新点主要有： 1 本课题打破了前人进行双核系统设计的思路，设计完成了单处理器的数字 涡街流量计，降低了系统的成本，提高了处理器的利用率。 2 降低了涡街流量计的测量下限，扩大了量程比。 3 研究了管道振动条件下的涡街流量计测量状况，并提出应用数字陷波的频 域方法的信号处理手段，提高了涡街流量计的抗振性能。 1 6 本论文的章节结构 本论文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章对涡街流量计进行了简要概述，包括其发展历史、测量原理、结构、 第一章绪论 分类、应用领域和特点。分析了涡街流量计应用过程中需要解