CN1687715A

CN1687715A - 一种涡街流量传感信号转换器

Info

Publication number: CN1687715A
Application number: CN 200510026401
Authority: CN
Inventors: 叶传良; 宋若梅; 李永光
Original assignee: KANUO ENERGY SAVING ENVIRONMENT ENGINEERING Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: KANUO ENERGY SAVING ENVIRONMENT ENGINEERING Co Ltd SHANGHAI
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2005-10-26

Abstract

本发明属流量检测技术领域，具体为一种涡街流量传感信号转换器。它由涡街传感器、前置放大器、A/d转换器、DSP放大器、CPU、压力传感器、温度传感器以及显示器、通位控制器等经电路连接构成。涡街传感器将采样信号经过二次放大后进入CPU，CPU将接收到的流体温度、压力和涡街脉冲数进行处理，将结果分3路输出：(1)显示器，显示温度、压力、流量等值；(2)A/D转换器，以电流形式输出补偿后的瞬时流量；(3)脉冲输出驱动器，以方波形式输出补偿后的瞬时流量。本发明测量精度高，体积小，使用操作方便。

Description

一种涡街流量传感信号转换器

技术领域

本发明属流量检测技术领域，具体为一种涡街流量传感信号转换器。

背景技术

随着科学技术的发展，人类逐步进入了信息社会，信息工业已显示出其强大的生命力。信息工业有三大支柱，检测技术、通讯技术和计算机技术，这三者缺一不可。与通讯和计算机技术相比，检测技术仍处于落后状态。从信息论的观点来看，检测技术是获得、转化各种信息的主要技术，是进行信息传递的基础。可以想象，如果最初获取的信息不可靠，即使后续处理技术再先进，所得到的结果也是毫无意义的。所以大力发展检测技术势在必行。而作为检测技术的重要组成部分，流量检测技术占有重要的地位。据统计，在大多数工业系统中，流量这一过程参数占所检测参数的30％～40％。就目前投入工业应用的流量计来看，大部分为体积流量计。即测量的是单位时间内流体流过的体积。而在生产实际中，如工业生产的配比和品质控制、物料和能量平衡以及贸易储运等方面，往往需要知道流体的质量流量。经过几十年的努力，人们开发了有工业实用价值的质量流量计。随着质量流量仪表进入工业实用阶段，石油、化工、食品、能源等部门纷纷选用质量流量仪表，以提高生产效率和经济效益。例如一台直接式质量流量计可以分别测量进入配比反应器的多种流体，提高配比率的精度，节约原料，又可取消多种流体各自管道上的流量仪表。又如在供热系统中，以质量流量计量比目前的体积流量计量更合理。

就整个流量仪表发展状况来看，气体的流量测量问题还远未解决，特别是气体质量流量的测量更急需发展。尤其是大管径、大流量、高温介质的质量流量测量，以及带有两相流的双参数测量等均是非常急需而又没有很好解决的问题。

利用涡街方式测量气体质量流量是目前研究的热点之一^[1，2，3]，其原因是涡街流量计具有量程比高，压力损失小，精度高等优点，主要的方法有如下几种，(1)涡街差压法^[1]，该法是利用涡街流量计测量体积流量，然后测量涡街前后的压差，经过换算得出工质的质量流量。这种方法的缺点是，涡街前后的压差较小，使得压差读数很小，而测量系统的结构庞大，原因是涡街流量计前后要求一定的直管段，压差测点之间的距离必须大于这个直管段，一般情况下前后直管段长度为15倍的管径，所以这套测量系统必定很大。如遇到较大的管径，受场地的限制，测量可能无法进行。(2)利用涡街流量计加温度压力补偿的方法测量质量流量，这种方法的缺点与前一种方法类似，结构庞大，需有15倍左右的直管段要求，一般需两个测量仪表，也不能适应两相流工况。(3)除利用涡街发生体外，还在涡街发生体内部设计了一个可动部件^[3]，这个部件会随旋涡脱落压力的变化而移动，利用这个移动量反映流体压力的大小，这种方法是结构紧凑，但由于内部的可移动部件使得结构复杂，且移动部件对压力的响应有一定的误差，因此，测量精度也会受到影响，不能适应两相流工况。目前市场上还未见有结构紧凑的一体化涡街式可用于两相流的高温质量流量测量装置。

参考文献

1.姜仲霞，刘桂芳，蔡孝国，张川潮，差压型涡街质量流量计，实用新型专利，90211874.9，中国，1991

2.I.Itoh and S.Ohki，Mass flowmeter detecting fluctuations in lift generated by vortexshedding，Flow Meas.Instrum，1994，4(4)：215～223

3.Toru Mizuno，Aichi，Sinzi Nanba，Kariya，Mass flowmeter，United StatesPatent，4630484，Patonted，1986，12，23

4.李永光，利用气液两相涡街特性测量气液两相流流量与组分的研究，上海理工大学博士后研究工作报告，1997。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量精度高、结构体积小的，可适用于大管径、大流量、高温介质及气液两相流工况的涡街流量传感信号转换器。

传统的涡街流量传感信号转换电路如图1所示，这种系统对在小流量的情况下抗干扰信号的能力不是很理想。本发明设计了一套新的涡街流量传感信号转换器电路，如图2所示。它由涡街传感器、前置放大器、A/d转换器、DSP放大器(可变信号放大器)、CPU、压力传感器、温度传感器以及显示器、通讯控制器经电路连接组成。其中，涡街传感器将采样到的信号经过前置放大器，转为电压信号；该电压信号进入高速A/D转换器，转换为数字信号，再进入DSP放大器放大，最后进入CPU；压力传感器和温度传感器分别将采样到的流体的压力和温度信号送入A/d转换器，转换为数字信号，然后进入CPU；CPU将接收到的温度、压力、涡街脉冲数据(模拟采样数据)进行处理，其中，根据涡街脉冲数据计算涡街脉冲的频率，根据仪表系数，计算得到补偿前的体积流量，再根据温度、压力计算出密度，最后计算得到流体的质量流量；CPU分3路输出：一路连显示器，显示器显示温度、压力、流量、累计值等；一路连接A/D转换器，以电流形式输出补偿后的瞬时流量；另一路连接脉冲输出驱动器，以方波形式输出补偿后的瞬时流量；通讯控制与CPU连接，采用现场总线通信方式，采用屏蔽双绞线。

本发明中，

1采样信号采用二级放大，即前置信号放大器+可变信号放大器(K)(DSP放大器)，以满足流量信号动态范围变化大的特点。

2对涡街的涡街波形信号V_i，同时获得采样值V_i和有效值

V_{rms} = \frac{1}{n} \sqrt{Σ_{i = 1}^{n}} {V_{i}}^{2}

其中：n为高速A/d采样速度，Vi为电压波形瞬时信号，是A/d采样实时信号。V_rms有效值为DSP计算输出。

3为得到稳定的有效信号，选用适当的比值，就可以有效滤掉原涡街信号中漩涡信号所含的随机干扰，特别有利于对小信号的处理，避免在小信号切除点附近脉冲信号输出不稳定现象。为此，还需要对波形作延时处理，延迟时间τ取前周期的

t时间

t =

\frac{1}{m - n} Σ_{i = n}^{m} T_{i}

4、CPU定时的把采样的电压Vi与

的V_rms进行比较，(在时间τ内有效)把每次Vi超越时间纪录在内存中，再让Vi与负

的V_rms进行比较，(在时间τ内有效)把每次Vi超越时间(系统内部的工作时间)纪录在内存序列中，……。Vi在的V_rms～

的V_rms范围内认为是过渡区。由此获得涡街波形每个周期时间，平均后得到涡街的实时工作频率。

F_{i} = (m - n) . \div (Σ_{i = n}^{m} T_{i})

5、可变信号放大器的放大倍数根据流量信号的大小，跟踪调节。

信号的放大倍数为K，由CPU发出命令进行改变。放大倍数为K的改变每次为2(如原来为K＝4，再增大改为K＝8；缩小改为K＝2)，一直到限定范围(1＜K＜128不同的放大器有不同的放大倍数)

当信号

V_{rms} > \frac{1}{2} V_{\max}

减小放大倍数，(V_ama为电压V_i中的最大值)

当信号

V_{rms} < \frac{1}{4} V_{\max}

增大放大倍数(这个限定值可以变化)

本发明设计的涡街流量传感信号转换器，可适用于大管径、大流量、高温介质工况的质量流量测量，尤其能适用于气液两相流工况的质量流量测量，测量的工况温度可达450℃，而且测量精度高，仪器体积小，使用操作方便。

附图说明

图1为传统涡街流量传感信号转换器原理框图。

图2为本发明涡街流量传感信号转换器原理框图。

图3和图4是两个涡街脉冲信号和经处理后输出波形对比图形。

图中标号：1为涡街传感器，2为前置放大器，3为A/d转换器，4为DSP放大器，5为压力传感器，6为温度传感器，7为A/d转换器，8为A/d转换器，9为CPU，10为显示器，11为D/A转换器，12为脉冲输出驱动器，13为通讯控制器。

具体实施方式

根据图2所示，在实际电路中，各个组成部件的设计和要求如下：

涡街传感器1采用压电晶体，其灵敏度高，稳定性好，有低温型、中温型、高温型，高温型可达300度以上。可根据实际要求选用。

前置放大器2采用FET输入型高增益放大器(如LF441)，把涡街传感器的震动信号转为电压信号。其输入阻抗高，温度飘移小，功耗小。需+-电源供电。放大器输出需要对信号进行限位，防止A/D转换器采样超出量程。

高速A/d转换3采样带宽达14K以上，数据为24位，放大倍数可设定。自动调零。

DSP放大器4对高速A/d转换的数据进行数字滤波、统计计算，得到瞬时有效值、平均值、最大值等数据。具体可采用AD7753，最大为32，可用CPU对其进行修改。

压力传感器5采用蒸汽压力检测用传感器。输出0-50电压信号。用以补偿蒸汽压力对密度的影响。

温度传感器6采用热电阻。补偿蒸汽温度对密度的影响。

A/d转换器7和8为16位A/d转换，采样温度、压力信号，精度达0.2％以上。

显示器10可采用LCD，显示温度、压力、流量、累计值等。

D/A转换器11：输出电流4～20毫安，输出补偿后瞬时流量，采用16位D/A芯片，精度达0.2％以上。

脉冲输出驱动器12输出补偿后瞬时流量方波信号，

通讯控制器13采用RS485现场总线通讯方式，用屏蔽双绞线。

CPU9是系统的核心，可采用ATMEL公司的89C51ED2，工作频率为40M，内部有2K内存，可以用作存放纪录时间、延迟时间、放大倍数、涡街的实时工作频率等。它接收三个输入信号，温度、压力、涡街脉冲数据(模拟采样数据)。主要对涡街脉冲数据进行处理，计算涡街脉冲的频率，然后根据仪表系数得到补偿前的体积流量，再根据温度、压力计算出密度；，最后计算获得蒸汽的质量流量。CPU定时把补偿后的瞬时流量以电流(4～20毫安)和方波信号的方式输出。

使用本发明实测结构图3和图4所示。图3、图4中上半部分是涡街脉冲的信号，下半部分是CPU计算分析处理后得到的波形。从图中可以看到涡街信号受到干扰后叠加了高频干扰信号，信号的幅度也会有大小变化。涡街脉冲的信号经放大、DSP、CPU处理后，不但提高了测量范围，而且对(特别是中小信号)信号中叠加的干扰处理能力大大提高。

由于流量的涡街脉冲的信号的特点是测量范围(频率变化范围)大，但信号的强度与流量成平方关系，在流量低时涡街脉冲的信号强度很低，在流量高时信号很强，容易超出测量量程。这就决定了普通放大器在低流量时往往不能监测到涡街脉冲信号(放大倍数不够)；监测到的信号又往往带有一定的干扰信号(环境的振动)。这些干扰信号在流量高、信号强时相对较小，但在流量低、信号弱时就难以处理。特别在比较器设定值附近运行时。采用本发明，获得完整的一个数据波形，这些波形序列数据存入内存中，与原来的波形数据进行比较计算，在获得完整波形后在输出信号。

涡街信号波形的频率一般为几十赫兹到几K.赫兹，所以CPU能根据采集到的信号大小改变放大倍数(几十个us；具体根据CPU型号和晶体振荡器决定)也不会影响整个测量波形。

Claims

1、一种涡街流量传感信号转换器，其特征在于由涡街传感器、前置放大器、A/d转换器、DSP放大器、CPU、压力传感器、温度传感器以及显示器、通讯控制器经电路连接组成；其中，涡街传感器将采样到的信号经过前置放大器，转为电压信号；该电压信号进入高速A/D转换器，转换为数字信号，再进入DSP放大器放大，最后进入CPU；压力传感器和温度传感器分别将采样到的流体的压力和温度信号送入A/d转换器，转换为数字信号，然后进入CPU；CPU将接收到的温度、压力、涡街脉冲数据进行处理，其中，根据涡街脉冲数据计算涡街脉冲的频率，根据仪表系数计算得到补偿前的体积流量，再根据温度、压力计算出密度，最后计算得到流体的质量流量；CPU分3路输出：一路连显示器，显示器显示温度、压力、流量、累计值等；一路连接A/D转换器，以电流形式输出补偿后的瞬时流量；另一路连接脉冲输出驱动器，以方波形式输出补偿后的瞬时流量；通讯控制与CPU连接。