涡街流量计数字信号处理系统的改进与实验

      1 引言

      文献^[1]研制了基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统，并对HP3325B信号发生器产生的不同频率的正弦波和谐波进行测试。结果表明，该系统具有较高的精度。将该系统配上一次仪表，进行实际流量的测试和标定时，我们发现系统测量小流量的能力较弱，井且易受低频电磁干扰（50Hz干扰）。为此，本文对系统的硬件、软件进行了改进，并进行小流量标定实验，取得很好的实验结果。

      2 系统改进

      2.1 小流量测量

      通常小流量情况下，流体的流速很低，检测元件的输出十分微弱，容易被干扰信号掩盖。测量小流量首要问题是提高电荷放大器的放大倍数和适配性能。我们研究了实际的压电传感器低频段特性，改进了原有的电荷放大器特性。

      由于压电传感器具有很高的输出阻抗，与它直接相连的前置电路的主要功能应是阻抗变换，即把压电传感器的高输出阻抗变换成较低的输出阻抗，以利后续电路对传感信号的处理。电荷放大器的功能是输出一个正比于输入电荷的电压，同时提供一个低的输出阻抗，实际上是一个电荷-电压的转换器^[2] 。为了提高输入级的共模抑制能力，采用双端输入的差动电荷/电压变换器，其双端的电容电阻参数完全对称，以高阻值的反馈电阻提供直流工作点，抑制运算放大器的零点漂移，如图1所示。其上、下限截止频率分别为f_h，f_l：

      图中，U为压电传感器的等效电压；C_a为传感器的固有电容；C_o为负端输入电容；C_f为放大器反馈电容；R_o为负端输入电阻；R_f为放大器反馈电阻。首先，根据信号测量的频率范围估算出各参数，然后，将电荷放大器与压电传感器相连，通过实验确定电路参数。用HP3325B信号发生器为电荷放大器提供输入信号，COM7101A数字存储示波器测量电荷放大器的输出信号，得到改进后的电荷放大器幅频特性如图2所示。图2（a）纵坐标的单位为V，图2（b）纵坐标的单位为dB。

      为了考核电荷放大器与传感器本体的适配性能，将电荷放大器与江苏省宜兴市路达仪表公司生产的涡街传感器（960409）相连，进行实验。用鼓风机吹风，产生的气流通过涡街传感器。涡街传感器的输出信号送人电荷放大器。用示波器观测电荷放大器输出波形，如图3所示。可见，电荷放大器输出波形稳定，与传感器适配性能良好。图（a）（b）（c）（d）分别为鼓风机与传感器的距离为30cm，60cm，80cm，100cm时电荷放大器的输出波形。30cm，60cm，80cm，100cm是根据标定的传感器线性度曲线选定的测量标准点。

      改进电荷放大器的同时，在软件中增加会均值算法。因为小流量测量时，出现频率为0Hz的情况，将所有的模拟器件调零后，测量出的频率仍出现0Hz，这说明直流信号不是器件本身引起的，而是由于采样信号存在均值。设置软件去均值取得较好的结果。

      2.2 抗干扰

      现场存在严重的电磁干扰，因为电荷放大器高输入阻抗特性，干扰信号很容易耦合到前向输入通道。消除高频电磁干扰可以通过仪表的金属外壳屏蔽和低通滤波来解决，对于低频电磁干扰，由于其频率处于涡街信号的频带内，只有保证系统良好的接地，才能增强抗干扰能力^[3] 。在涡街流量计信号处理系统中，外接电源通过DC-DC变换提供工作电压，因此屏蔽线接地有三种情况：

      （1）屏蔽线直接与一个信号端子相连。
      （2）屏蔽线直接与DC-DC的输出地相连。
      （3）屏蔽线直接与DC-DC的输入地相连。根据现场实际情况，选择合理接地方式，使系统所受空间干扰最小。

      2.3 频谱校正

      基于FFT谱分析得到的是离散功率谱，谱线间隔等于采样间隔。一般情况下，信号频率并不正好对准某一谱线，而是位于两条谱线之间，此时利用主瓣内的谱线求主瓣中心的坐标，得到准确的频率和幅值^[4]，提高频率测量精度。在利用频谱重心校正方法提高系统处理精度的基础上，我们对信号的频率范围重新进行分段和设置采样频率。信号频率范围2-2500Hz，采样点数4096点，分五段设置采样频率：0~50Hz，45~140Hz，130~390Hz，380~960Hz，950~2500Hz。最低采样频率200Hz，最高采样频率12.4kHz。这样，将原来的10段减少为5段，减少了变换采样频率的次数，计算精度仍优于0.2%。

      2.4 键盘监控程序

      基于DSP的涡街流量计数字信号处理系统通过键盘监控程序来完成显示、参数设置等功能。在设计键盘监控程序时，为了便于功能扩展，采用状态变量法来设计键值分析程序^[5]。

      3 系统实验

      3.1 水流量标定实验

      我们把改进后的系统与原合肥仪表总厂生产的一次仪表传感器（980901F）及本体（980193）相配，在安徽省流量检定站进行水流量标定实验。采用精度较高的称量法进行标定实验。将某一口径的涡街传感器加调整环，安装在流量标定装置的管道上，使漩涡发生体的迎流面垂直于水流流向，管道的一端接供水口，管道的另一端连接大型的水箱。水箱放置在地称上，用来测量通过传感器的液体体积。实验开始，打开供水阀门，这时有水流流过传感器，信号处理系统有频率输出，经过1~2分钟，水流稳定后开始计时，直到水流量达到要求的立方数，此时停止计时，称量出对应的水容积，从而计算出仪表系数K：

K=L/（f・s）（3）

      式中，L为液体体积，f为测量的频率，s为计时时间。

      取四个流量点进行水流量标定，实验数据如表1所示。四个流量点分别为17.8m³/h、11.75m³/h、7.5m³/h、6.5m³/h。根据实验数据计算出线性度为0.11596%，重复性为0.0264575%，量程比达到1：15。

表1 液体标定测量数据 

      3.2 气体流量测试实验

      气体流量测试装置的管道一端是大型鼓风设备，鼓风设备与变频器相连，改变变频器的频率值，即改变风速，相当于改变气体的流量。管道的中部安装毕托管，毕托管与操作台上的斜管差压计相连。利用毕托管测量流速，计算公式如下：

      式中，C为毕托管系数，ρ为来流密度（标准条件下空气为1.205kg/m³），ΔP为毕托管差压（N/m²），由斜管差压计测得，斜管用密度为0.8kg/m²、纯度99%的酒精标定刻度，计算差压的公式：

ΔP＝L・K                  （5）

      式中，L为斜管玻璃刻度（mm），K为系数。

      测试时将涡街传感器安装在气体流量测试装置的管道上，使漩涡发生体的迎流面垂直于气流的流向，传感器的输出信号接至涡街流量计数字信号处理系统的输入端子。信号处理系统测量的频率与毕托管测出的流速之比即为仪表系数。

      测试结果表明：对于相同的传感器，数字信号处理系统标出的精度优于模拟二次仪表标定的结果。

      3.3 振动信号辨识实验

      在使用涡街流量计的工业现场，振动噪声是不可避免的，这就要求涡街流量计具有较强的抗振动干扰能力。目前市场上销售的涡街流量计采用模拟方法计算信号频率，克服振动噪声采取提高门槛电压的方法，这样做将导致小流量无法测量，大大降低了量程比。涡街流量计数字信号处理系统利用谱分析的方法，能够分辨出幅值低于涡街信号的振动噪声。实验结果如图5所示。

      将传感器放在振动台上，振动台的振动源是单相感应电动机（JY7144）产生。将风机放在固定的支架上，风机的排气口对准传感器的感应体，使传感器的漩涡发生体的迎流面垂直与气流的流向。

      （1）先给风机通电，产生气体流量信号，计算出信号频率。这里以风机与传感器相距145mm为例，计算的频率为264.401Hz。如图4（a）所示。
      （2）同时给振动台和风机通电，即同时产生振动信号和涡街信号，计算的频率为264.357Hz，如图4（b）所示。
      （3）关上风机，只给振动台通电，计算的频率为24.834Hz。如图4（c）所示。实验结果表明，涡街流量计数字信号处理系统能够分辨出振动噪声。

      4 结语

      通过对涡街流量计数字信号处理系统软硬件的改进，不但提高了电荷放大器与涡街传感器的适配性能，解决了小流量测量的问题，而且提高了系统的抗干扰能力。在水流量标定、气体流量测试实验和振动信号辨识中均取得很好验证。

      改进的涡街流量计数字信号处理系统与模拟式测量系统相比，具有以下优点：

      （1）数字信号处理系统比模拟式测量系统精度高，尤其是在测量小流量时。
      （2）数字信号处理系统抗干扰能力强，例如，在振动环境中，模拟式处理系统无法辨认信号与噪声，只能拾取叠加信号，造成结果偏差很大。
      （3）数字信号处理系统量程比大于模拟式测量系统。
      （4）模拟式测量系统对不同口径的传感器要换不同的放大板，数字信号处理系统只采用一种结构的放大器，通过调整程控放大器的增益，实现对不同流量信号的调整。我们使用的程控放大器可调范围为1~1600倍。

      参考文献：

      [1] 徐科军，陈荣保等．基于DSP、具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统，仪器仪表学报，2001，22（3）：255-260N．
      [2] 严钟豪，谭祖根．非电量电测技术、机械工业出版社，1983。
      [3] 姜仲霞等.涡街流量计现场应用的干扰与对策．自动化仪表.1992，13（8）：31-36．
      [4] 谢明，丁康．频谱分析的校正方法．振动工程学报．1994，7（2）：172-178。
      [5] 黄云志，徐科军，苏建徽等．智能仪表键盘监控的设计与实现，合肥工业大学学报（自然科学版），2001，24（5）：87Z-875．