1 引言

      文獻^[1]研制了基于DSP具有譜分析功能的渦街流量計信號處理系統，并對HP3325B信號發生器產生的不同頻率的正弦波和諧波進行測試。結果表明，該系統具有較高的精度。將該系統配上一次儀表，進行實際流量的測試和標定時，我們發現系統測量小流量的能力較弱，井且易受低頻電磁干擾（50Hz干擾）。為此，本文對系統的硬件、軟件進行了改進，并進行小流量標定實驗，取得很好的實驗結果。

      2 系統改進

      2.1 小流量測量

      通常小流量情況下，流體的流速很低，檢測元件的輸出十分微弱，容易被干擾信號掩蓋。測量小流量首要問題是提高電荷放大器的放大倍數和適配性能。我們研究了實際的壓電傳感器低頻段特性，改進了原有的電荷放大器特性。

      由于壓電傳感器具有很高的輸出阻抗，與它直接相連的前置電路的主要功能應是阻抗變換，即把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成較低的輸出阻抗，以利后續電路對傳感信號的處理。電荷放大器的功能是輸出一個正比于輸入電荷的電壓，同時提供一個低的輸出阻抗，實際上是一個電荷-電壓的轉換器^[2] 。為了提高輸入級的共模抑制能力，采用雙端輸入的差動電荷/電壓變換器，其雙端的電容電阻參數對稱，以高阻值的反饋電阻提供直流工作點，抑制運算放大器的零點漂移，如圖1所示。其上、下限截止頻率分別為f_h，f_l：

      圖中，U為壓電傳感器的等效電壓；C_a為傳感器的固有電容；C_o為負端輸入電容；C_f為放大器反饋電容；R_o為負端輸入電阻；R_f為放大器反饋電阻。首先，根據信號測量的頻率范圍估算出各參數，然后，將電荷放大器與壓電傳感器相連，通過實驗確定電路參數。用HP3325B信號發生器為電荷放大器提供輸入信號，COM7101A數字存儲示波器測量電荷放大器的輸出信號，得到改進后的電荷放大器幅頻特性如圖2所示。圖2（a）縱坐標的單位為V，圖2（b）縱坐標的單位為dB。

      為了考核電荷放大器與傳感器本體的適配性能，將電荷放大器與江蘇省宜興市路達儀表公司生產的渦街傳感器（960409）相連，進行實驗。用鼓風機吹風，產生的氣流通過渦街傳感器。渦街傳感器的輸出信號送人電荷放大器。用示波器觀測電荷放大器輸出波形，如圖3所示。可見，電荷放大器輸出波形穩定，與傳感器適配性能良好。圖（a）（b）（c）（d）分別為鼓風機與傳感器的距離為30cm，60cm，80cm，100cm時電荷放大器的輸出波形。30cm，60cm，80cm，100cm是根據標定的傳感器線性度曲線選定的測量標準點。

      改進電荷放大器的同時，在軟件中增加會均值算法。因為小流量測量時，出現頻率為0Hz的情況，將所有的模擬器件調零后，測量出的頻率仍出現0Hz，這說明直流信號不是器件本身引起的，而是由于采樣信號存在均值。設置軟件去均值取得較好的結果。

      2.2 抗干擾

      現場存在嚴重的電磁干擾，因為電荷放大器高輸入阻抗特性，干擾信號很容易耦合到前向輸入通道。消除高頻電磁干擾可以通過儀表的金屬外殼屏蔽和低通濾波來解決，對于低頻電磁干擾，由于其頻率處于渦街信號的頻帶內，只有保證系統良好的接地，才能增強抗干擾能力^[3] 。在渦街流量計信號處理系統中，外接電源通過DC-DC變換提供工作電壓，因此屏蔽線接地有三種情況：

      （1）屏蔽線直接與一個信號端子相連。
      （2）屏蔽線直接與DC-DC的輸出地相連。
      （3）屏蔽線直接與DC-DC的輸入地相連。根據現場實際情況，選擇合理接地方式，使系統所受空間干擾最小。

      2.3 頻譜校正

      基于FFT譜分析得到的是離散功率譜，譜線間隔等于采樣間隔。一般情況下，信號頻率并不正好對準某一譜線，而是位于兩條譜線之間，此時利用主瓣內的譜線求主瓣中心的坐標，得到準確的頻率和幅值^[4]，提高頻率測量精度。在利用頻譜重心校正方法提高系統處理精度的基礎上，我們對信號的頻率范圍重新進行分段和設置采樣頻率。信號頻率范圍2-2500Hz，采樣點數4096點，分五段設置采樣頻率：0~50Hz，45~140Hz，130~390Hz，380~960Hz，950~2500Hz。采樣頻率200Hz，采樣頻率12.4kHz。這樣，將原來的10段減少為5段，減少了變換采樣頻率的次數，計算精度仍優于0.2%。

      2.4 鍵盤監控程序

      基于DSP的渦街流量計數字信號處理系統通過鍵盤監控程序來完成顯示、參數設置等功能。在設計鍵盤監控程序時，為了便于功能擴展，采用狀態變量法來設計鍵值分析程序^[5]。

      3 系統實驗

      3.1 水流量標定實驗

      我們把改進后的系統與原合肥儀表總廠生產的一次儀表傳感器（980901F）及本體（980193）相配，在安徽省流量檢定站進行水流量標定實驗。采用精度較高的稱量法進行標定實驗。將某一口徑的渦街傳感器加調整環，安裝在流量標定裝置的管道上，使漩渦發生體的迎流面垂直于水流流向，管道的一端接供水口，管道的另一端連接大型的水箱。水箱放置在地稱上，用來測量通過傳感器的液體體積。實驗開始，打開供水閥門，這時有水流流過傳感器，信號處理系統有頻率輸出，經過1~2分鐘，水流穩定后開始計時，直到水流量達到要求的立方數，此時停止計時，稱量出對應的水容積，從而計算出儀表系數K：

K=L/（f?s）（3）

      式中，L為液體體積，f為測量的頻率，s為計時時間。

      取四個流量點進行水流量標定，實驗數據如表1所示。四個流量點分別為17.8m³/h、11.75m³/h、7.5m³/h、6.5m³/h。根據實驗數據計算出線性度為0.11596%，重復性為0.0264575%，量程比達到1：15。

表1 液體標定測量數據 

      3.2 氣體流量測試實驗

      氣體流量測試裝置的管道一端是大型鼓風設備，鼓風設備與變頻器相連，改變變頻器的頻率值，即改變風速，相當于改變氣體的流量。管道的中部安裝畢托管，畢托管與操作臺上的斜管差壓計相連。利用畢托管測量流速，計算公式如下：

      式中，C為畢托管系數，ρ為來流密度（標準條件下空氣為1.205kg/m³），ΔP為畢托管差壓（N/m²），由斜管差壓計測得，斜管用密度為0.8kg/m²、純度99%的酒精標定刻度，計算差壓的公式：

ΔP＝L?K                  （5）

      式中，L為斜管玻璃刻度（mm），K為系數。

      測試時將渦街傳感器安裝在氣體流量測試裝置的管道上，使漩渦發生體的迎流面垂直于氣流的流向，傳感器的輸出信號接至渦街流量計數字信號處理系統的輸入端子。信號處理系統測量的頻率與畢托管測出的流速之比即為儀表系數。

      測試結果表明：對于相同的傳感器，數字信號處理系統標出的精度優于模擬二次儀表標定的結果。

      3.3 振動信號辨識實驗

      在使用渦街流量計的工業現場，振動噪聲是不可避免的，這就要求渦街流量計具有較強的抗振動干擾能力。目前市場上銷售的渦街流量計采用模擬方法計算信號頻率，克服振動噪聲采取提高門檻電壓的方法，這樣做將導致小流量無法測量，大大降低了量程比。渦街流量計數字信號處理系統利用譜分析的方法，能夠分辨出幅值低于渦街信號的振動噪聲。實驗結果如圖5所示。

      將傳感器放在振動臺上，振動臺的振動源是單相感應電動機（JY7144）產生。將風機放在固定的支架上，風機的排氣口對準傳感器的感應體，使傳感器的漩渦發生體的迎流面垂直與氣流的流向。

      （1）先給風機通電，產生氣體流量信號，計算出信號頻率。這里以風機與傳感器相距145mm為例，計算的頻率為264.401Hz。如圖4（a）所示。
      （2）同時給振動臺和風機通電，即同時產生振動信號和渦街信號，計算的頻率為264.357Hz，如圖4（b）所示。
      （3）關上風機，只給振動臺通電，計算的頻率為24.834Hz。如圖4（c）所示。實驗結果表明，渦街流量計數字信號處理系統能夠分辨出振動噪聲。

      4 結語

      通過對渦街流量計數字信號處理系統軟硬件的改進，不但提高了電荷放大器與渦街傳感器的適配性能，解決了小流量測量的問題，而且提高了系統的抗干擾能力。在水流量標定、氣體流量測試實驗和振動信號辨識中均取得很好驗證。

      改進的渦街流量計數字信號處理系統與模擬式測量系統相比，具有以下優點：

      （1）數字信號處理系統比模擬式測量系統精度高，尤其是在測量小流量時。
      （2）數字信號處理系統抗干擾能力強，例如，在振動環境中，模擬式處理系統無法辨認信號與噪聲，只能拾取疊加信號，造成結果偏差很大。
      （3）數字信號處理系統量程比大于模擬式測量系統。
      （4）模擬式測量系統對不同口徑的傳感器要換不同的放大板，數字信號處理系統只采用一種結構的放大器，通過調整程控放大器的增益，實現對不同流量信號的調整。我們使用的程控放大器可調范圍為1~1600倍。

      參考文獻：

      [1] 徐科軍，陳榮保等．基于DSP、具有譜分析功能的渦街流量計信號處理系統，儀器儀表學報，2001，22（3）：255-260N．
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      [4] 謝明，丁康．頻譜分析的校正方法．振動工程學報．1994，7（2）：172-178。
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