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基于数字信号处理技术的气体涡街流量计的研究

发表时间:2020-08-20
涡街流量计利用流体经过旋涡发生体后产生的振动进行流量测量,因其介质适应性强,无可动部件,结构简单、可靠性高等特点而被广泛使用。而在小流量情况下,涡街信号的低信噪比特性直接限制了涡街流量计的应用环境。目前,被广泛使用的涡街流量计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,为了拓展涡街流量计的使用范围,采用数字信号处理技术的智能数字涡街流量计逐步投入市场。本文以TMS320F2812DSP为核心,实现了涡街流量计的数字信号处理系统。
 
1.总体设计方案
系统设计方案如图1所示。本文设计的基于数字信号处理技术的渴街流量计的积算仪单元分为两个部分:前置放大电路和数字信号处理单元。本文选用的前置放大电路即为普通模拟涡街流量计的前置放大电路,包括电荷放大器、低通滤波器、限幅滤波器和施密特触发器;而对涡街信号的处理则采用了双通道处理的方式,前置放大电路和数字信号处理单元相配合。方波通道即利用TMS320F2812DSP事件管理器的捕获模块,对前置放大电路输出的方波频率进行计算,然后再由数字信号处理器事件管理器通用定时器的比较输出模块进行脉冲输出。正弦通道即数字信号处理器对前置放大电路中低通滤波器输出的叠加了许多噪声的正弦信号进行A/D采样,再利用数字信号处理器对AD采样的结果进行频谱分析,从而得出此时涡街信号的频率,ZUI后再由数字信号处理器通用定时器的比较输出模块进行脉冲输出。
在正常流量范围的情况下,选用方波通道,即传统的模拟电子电路对涡街信号进行预处理然后将此脉冲信号输入到DSP的事件管理器的捕获模块,进行脉冲计频,再通过数字信号处理器运算处理,ZUI后由事件管理器通用定时器的比较输出模块进行脉冲输出。在微小流量的情况下,数字信号处理器利用其A/D采样端口采集经电荷放大、低通滤波处理后的正弦信号,之后进行FFT运算和功率谱分析从而得出此时的涡街信号频率值,ZUI后采用与方波处理同样的方式输出脉冲。
 
2.试验装置
本文设计的基于TMS320F2812DSP的数字涡街流量计的气体流量实流标定实验,是以天津大学过程检测和控制实验室的气固两相流实验裝置为基础,经过部分改造后的试验装置上进图2为气体流量试验裝置结构图。为避免气体压力波动,空气压缩机先将大气中的空气压缩打入稳压储气罐中,高温压缩空气经过冷干机冷却除湿后,得到的纯净气体先后流经气路总阀、气动调节阀、涡轮流量计(标准表)、数字涡街流量计(被校表)后,ZUI终通向大气。实验中对涡街流量计的流量校准采用标准表法,即由涡轮流量计测得的流量值、涡轮流量计表前压力变送器测得的压力值及数字涡街流量计表前压力变送器测得的压力值便可换算得到流经被測涡街流量计的体积流量(管路中气体温度变化很小,忽略不计)。标准表涡轮流量计的ZUI大允许误差为±1%,内径为50mm,流量范围为5~100m³/h;两个压力变送器的ZUI大允许误差均为±0.2%。
整个试验装置由计算机系统实时控制处理,并对气动调节阀采用PID调节,以确保流量稳定,对涡街、涡轮流量计以及压力变送器的输出信号均由计算机系统进行采集及数据分析。
 
3.试验数据
将本文设计的数字涡街流量计在50m口径(简称DN50)的气体流量试验装置上进行实流标定试验研究。先在其正常流量范围内进行实验标定,流量从大到小逐渐降低,之后不断探求其所能测量的流量下限。每个流量点检定三次,计算其重复性、平均仪表系数和线性度。气体流量实流标定试验数据如表1所示。根据表1中的实验数据,将气体流量实验仪表系数随流量点的变化绘制成曲线如图3所示。

本课题设计的数字涡街流量计有效地降低了DN50气体涡街流量计的测量下限,ZUI低可以测量到38Hz的涡街信号(该频率对应的流量为15m³/h,流速为2.13m/s),且稳定性较好,但此时重复性和仪表系数的线性度较差。随着流量值的増大,仪表性能逐渐变好。
 
4.小结
本文介绍了以TMS320F2812DSP为核心的数字涡街流量计,由试验数据可知,基于数字信号处理技术的涡街流量计可实现对小流量气体的测量,拓展了涡街流量计的应用领域。
 

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