基于數字信號處理技術的氣體渦街流量計的研究

基于數字信號處理技術的渦街流量計，采用 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心，雙通道處理方式，將在低流量范圍內采用的數字頻譜分析功能和正常流量范圍內的智能渦街計頻功能有機地結合起來，拓展了渦街流量計的流量測量下限。

0.引言

渦街流量計利用流體經過旋渦發生體后產生的振動進行流量測量，因其介質適應性強，無可動部件，結構簡單、 可靠性高等特點而被廣泛使用。而在小流量情況下，渦街信號的低信噪比特性直接限制了渦街流量計的應用環境。

目前，被廣泛使用的渦街流量計采用的信號處理方法是基于模擬電子技術的信號處理方法，為了拓展渦街流量計的使用范圍，采用數字信號處理技術的智能數字渦街流量計逐步投入市場。 本文以ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心，實現了渦街流量計的數字信號處理系統。

１.總體設計方案

系統設計方案如圖１ 所示。 本文設計的基于數字信號處理技術的渦街流量計的積算儀單元分為兩個部分：前置放大電路和數字信號處理單元。 本文選用的前置放大電路即為普通模擬渦街流量計的前置放大電路，包括電荷放大器、低通濾波器、限幅濾波器和施密特觸發器；而對渦街信號的處理則采用了雙通道處理的方式，前置放大電路和數字信號 處 理 單 元 相 配 合。  方 波 通 道 即 利 用ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波頻率進行計算， 然后再由數字信號處理器事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。 正弦通道即數字信號處理器對前置放大電路中低通濾波器輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 Ａ ／Ｄ 采樣，再利用數 字信號處理器對 Ａ ／Ｄ 采樣的結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，***后再由數字信號處理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。

在正常流量范圍的情況下， 選用方波通道，即傳統的模擬電子電路對渦街信號進行預處理，然后將此脈沖信號輸入到 ＤＳＰ 的事件管理器的捕獲模塊， 進行脈沖計頻， 再通過數字信號處理器運算處理，***后由事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。 在微小流量的情況下，數字信號處理器利用其 Ａ ／Ｄ 采樣端口采集經

電荷放大、 低通濾波處理后的正弦信號， 之后進行 ＦＦＴ 運算和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，***后采用與方波處理同樣的方式輸出脈沖。

２.試驗裝置

本文設計的基于 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 的數字渦街流量計的氣體流量實流標定實驗，是以天津大學過程檢測和控制實驗室的氣固兩相流實驗裝置為基礎， 經過部分改造后的試驗裝置上進行的。

穩壓儲氣罐中，高溫壓縮空氣經過冷干機冷卻除濕后，得到的純凈氣體先后流經氣路總閥、氣動調節閥、渦輪流量計（ 標準表）、數字渦街流量計（ 被校表） 后，***終通向大氣。 實驗中對渦街流量計的流量校準采用標準表法，即由渦輪流量計測得的流量值、渦輪流量計表前壓力變送器測得的壓力值及數字渦街流量計表前壓力變送器測得的壓力值便可換算得到流經被測渦街流量計的體積流量（ 管路中氣體溫度變化很小，忽略不計）。 標準表渦輪流量計的***大允許誤差為 ±１%，內徑為 50ｍｍ，流量范圍為 5 ～１00ｍ３ ／ｈ；兩個壓力變送器的***大允許誤差均為 ±0.２%。

圖２ 為氣體流量試驗裝置結構圖。 為避免氣體壓力波動，空氣壓縮機先將大氣中的空氣壓縮打入整個試驗裝置由計算機系統實時控制處理，并對氣動調節閥采用 ＰＩＤ 調節， 以確保流量穩定， 對渦街、 渦輪流量計以及壓力變送器的輸出信號均由計算機系統進行采集及數據分析。

３.試驗數據

將本文設計的數字渦街流量計在 50ｍｍ 口徑（簡稱 ＤＮ50）的氣體流量試驗裝置上進行實流標定試驗研究。 先在其正常流量范圍內進行實驗標定，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的流量下限。 每個流量點檢定三次， 計算其重復性、平均儀表系數和線性度。 氣體流量實流標定試驗數據如表１ 所示。

根據表１ 中的實驗數據，將氣體流量實驗儀表系數隨流量點的變化繪制成曲線如圖３ 所示。

本課題設計的數字渦街流量計有效地降低了ＤＮ50 氣體渦街流量計的測量下限，較低可以測量到３８Ｈｚ 的渦街信號（該頻率對應的流量為１5ｍ３ ／ｈ，流速為２.１３ｍ ／ｓ），且穩定性較好，但此時重復性和儀表系數的線性度較差。 隨著流量值的增大，儀表性能逐漸變好。

４.小結

本文介紹了以 ＴＭＳ３２0Ｆ２８１２ ＤＳＰ 為核心的數字渦街流量計，由試驗數據可知，基于數字信號處理技術的渦街流量計可實現對小流量氣體的測量，拓展了渦街流量計的應用領域。