CN1952609A - 差压式涡街质量流量测量信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统。用差压传感器测量涡街流量计旋涡发生体上、下游的差压，将测得的差压与差压式涡街质量流量测量信号处理装置相接，在该装置中，差压传感器的输出信号经过程控放大、平均值分离、频率分离、自适应滤波等处理，分别得到涡街频率信号和差压平均值信号，然后，这两路信号经过模数转换(加)后送往单片机进行相关的运算，得到测量管内被测流体的质量流量。本发明设计的装置实现了对管道内流体质量流量的直接测量，具有结构简单、测量准确度高、成本低、抗干扰性强、适用范围广等特点。

Description

差压式涡街质量流量测量信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统。

背景技术

质量流量的测量是过程参数检测领域的一个重点和难点问题。利用已有的传统体积流量计，经过改进、完善与提高，发展成质量流量计，是质量流量测量技术发展的一个重要趋势，涡街流量计就是其中的重要代表。目前比较有代表性的是升力式涡街质量流量计，它采用压电传感器同时测量涡街频率和旋涡升力，但是旋涡升力对应的信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关，测量准确度难以提高。

本发明专利发明人提出的一种新的质量流量测量方法，已经申请发明专利“涡街质量流量测量方法”并获得了授权。本发明是在以上发明专利的基础上，通过对涡街质量流量信号处理电路和相关硬件的设计，开发出来的涡街质量流量测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统。

差压式涡街质量流量测量信号处理装置：单片机分别与程控放大器、A/D转换器、自适应滤波器相接，程控放大器与信号平均值分离电路、A/D转换器相接，程控放大器与信号频率分离电路、自适应滤波器、A/D转换器相接，程控放大器与差压传感器、恒流电源相接。

所述的程控放大器电路为放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接。

信号频率分离电路为放大器A2的正输入与电容C1、电容C2相接，放大器A2的正输入端经电阻R6接地，放大器A2的负输入端经电阻R9接地，放大器A2的输出端经电阻R1与电容C1、电容C2相接，放大器A2的输出端经电阻R8、电阻R9接地。

信号平均值分离电路为放大器A3的正输入端与电阻R2、电阻R3相接，放大器A3的正输入端经电容C4接地，放大器A3的负输入端经电阻R4接地，放大器A3的输出端与电容C3、电阻R2相接，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R5接地。

自适应滤波器为放大器A4的正输入端经电阻R7与电源V_DD相接，放大器A4的正输入端经电阻R10接地，放大器A4的负输入端与放大器A4的输出端相接，放大器A5的正输入端与电阻R12相接，放大器A5的正输入端经电阻R11与放大器A4的输出端相接，放大器A5的负输入端经电阻R13接地，放大器A5的输出端经电阻R14与放大器A5的负输入端相接，滤波器U2的输入端与放大器A5的输出端相接。

本发明设计的装置实现了对管道内流体质量流量的直接测量，具有结构简单、测量准确度高、成本低、抗干扰性强、适用范围广等特点。

附图说明

图1是本发明信号测量装置与信号处理装置示意图；

图2是本发明信号处理装置总体框图；

图3是本发明程控放大器电路图；

图4是本发明信号频率分离电路图；

图5是本发明信号平均值分离电路图；

图6是本发明电压提升和自适应滤波器电路图；

图7是本发明涡街频率与体积流量的关系图；

图8是本发明测量体积流量的相对误差图；

图9是本发明差压均值与体积流量的关系图；

图10是本发明差压均值与涡街频率的比值和质量流量的关系图；

图11是本发明测量质量流量的相对误差图。

具体实施方式

本发明信号测量装置与信号处理装置如图1所示。在测量管1内设有涡街流量计的旋涡发生体2，在涡街流量计的旋涡发生体上游0.5D～D(D为测量管内直径)内开有一个取压孔3，在涡街流量计的旋涡发生体下游0.5D内开有另一个取压孔4，在两个取压孔之间接有差压传感器5，差压传感器5之后接有信号处理电路6，信号处理电路6之后接有单片机7。

差压式涡街质量流量测量信号处理系统的总体框图如图2。单片机分别与程控放大器、A/D转换器、自适应滤波器相接，程控放大器与信号平均值分离电路、A/D转换器相接，程控放大器与信号频率分离电路、自适应滤波器、A/D转换器相接，程控放大器与差压传感器、恒流电源相接。用恒流电源给差压传感器供电，将差压信号转换成毫伏级电压信号，经程控放大和自适应滤波处理后得到频率信号和差压平均值，再经A/D转换后由单片机采集，单片机进行运算后就得到了质量流量。单片机系统采用了TI公司生产的低功耗型MSP430系列微处理器。

差压传感器产生的毫伏级电压信号包含两个信号值：一是涡街的频率信号，用来测量流体的体积流量；二是差压的平均值信号，和频率信号一起用来测量流体的质量流量。传统的涡街体积流量计，大多采用模拟滤波电路对传感器的输出信号进行滤波，然后通过整形、计数的方法获得涡街频率，这种方法在应用中存在量程比受限，抗干扰能力弱，电路通用性差等缺点。为了改善电路的抗干扰能力和通用性，提高测量精度及量程比，采用了程控放大器和可编程滤波器来代替传统的电路，使电路在不同工况下能具有自适应能力，且能在线调节电路参数，因此能有效的滤除干扰信号，提高频率测量精度和测量范围。具体实现方法和电路如下：

(1)程控放大器

如图3所示，程控放大器电路采用仪用放大器加数字电位器的方法设计程控放大器来取代传统放大器。仪用放大器选用AD620，它具有低失调电压漂移、低噪声等特点，且只需改变外接电阻的大小即可设置1～1000的放大增益。外接电阻采用数字电位器MAX5402，它的端电阻为10K，抽头数为256，且具有低温漂等特性。单片机通过改变数据电位器的阻值，即可改变仪用放大器的放大倍数，实现了放大倍数的在线调节。

电路具体连接关系为：放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接，放大器A1的第三、二引脚分别接差压传感器的正负输出端Vin+、Vin-，放大器A1的第七、第四引脚接正负电影V_CC和V_EE，。放大器A1的第五引脚接地，放大器A1的第六引脚接信号频率分离电路和平均值分离电路。

(2)频率分离、平均值分离电路

如图4所示，信号频率分离电路为放大器A2的正输入与电容C1、电容C2相接，放大器A2的正输入端经电阻R6接地，放大器A2的负输入端经电阻R9接地，放大器A2的输出端经电阻R1与电容C1、电容C2相接，放大器A2的输出端经电阻R8、电阻R9接地。

如图5所示，信号平均值分离电路为放大器A3的正输入端与电阻R2、电阻R3相接，放大器A3的正输入端经电容C4接地，放大器A3的负输入端经电阻R4接地，放大器A3的输出端与电容C3、电阻R2相接，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R5接地。

经过程控放大器放大后的信号包含涡街频率信号和差压平均值信号，为了能同时得到这两路信号，设计了一个截止频率为0.5Hz的二阶高通滤波器来隔离直流分量，得到交流信号，即涡街频率信号。同时设计了一个截止频率为0.5Hz的二阶低通滤波器来隔离交流分量，得到直流信号，即差压平均值信号。放大器均采用CA3240。

(3)自适应滤波电路

如图6所示，自适应滤波器为放大器A4的正输入端经电阻R7与电源V_DD相接，放大器A4的正输入端经电阻R10接地，放大器A4的负输入端与放大器A4的输出端相接，放大器A5的正输入端与电阻R12相接，放大器A5的正输入端经电阻R11与放大器A4的输出端相接，放大器A5的负输入端经电阻R13接地，放大器A5的输出端经电阻R14与放大器A5的负输入端相接，滤波器U2的输入端与放大器A5的输出端相接。

滤波器U2电路连接关系为：滤波器U2第一引脚与滤波器U2第六引脚相接，滤波器U2第二引脚与放大器A5的输出端相接，滤波器U2第三引脚接地，滤波器U2第四、第七引脚接电源V_DD，滤波器U2第五引脚接A/D转换器，滤波器U2第八引脚接单片机。

涡街频率信号随流量变化而变化，在不同的管径和介质下，其值在1～2000Hz之间，而干扰信号频率也会随着涡街频率的变化而变化，当流速越小，信号越弱时，所受的干扰就越明显。常规滤波电路的滤波参数不能在线调整，因此很难有效滤除干扰信号，为此本实用新型设计了自适应滤波电路。滤波器采用MAXIM公司生产的可编程开关电容滤波器MAX7404，它是一款低通，8阶，椭圆函数滤波器，可设定1Hz～10kHz的转折频率，阻带抑制比为60dB。涡街频率信号经两个CA3240放大器组成的电压提升电路后转换成单极性信号，再通过单片机调整输出频率，则可根据当前信号频率设定合适的低通滤波器转折频率，这样就可以适应不同管径、不同介质、不同流速下滤波要求，提高了电路的通用性。

为了改善涡街流量计的抗干扰性能，更好的适应工业现场的使用要求，将FFT算法应用与涡街流量计，以便从含有噪声的涡街信号中准确提取涡街频率信号。FFT算法计算量很大，一般单片机的运算速度无法满足实时性的要求，为此提出了一种改进的FFT算法。

设x(n)是2N点的实序列，将x(n)分为偶数组x₁(n)和奇数组x₂(n)，即

x₁(n)＝x(2n)，    n＝0，1，...，N-1    (1)

x₂(n)＝x(2n+1)，  n＝0，1，...，N-1    (2)

然后将x₁(n)、x₂(n)组成一个复数序列：

y(n)＝x₁(n)+jx₂(n)    (3)

通过N点FFT运算得到：

Y(k)＝DFT[x₁(n)]+jDFT[x₂(n)]＝X₁(n)+jX₂(n)    (4)

式中k＝0，1，...，N-1。

而实际要求的是2N点的实序列x(n)所对应的X(n)，它同X₁(n)、X₂(n)的关系如下：

$X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_{2N}^k{X}_2\left(k\right)---\left(5\right)$

式中

$W_{2N}^k=\cos \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{2N}\right)-j\sin \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{2N}\right)---\left(6\right)$

在单片机中，存储一个浮点数需要4个字节，而存储一个整数只需2个字节，并且浮点数的运算量要远大于整数的运算量，因此若能用整数运算代替浮点数运算，不仅可以节省存储器，而且可以大量减少运算量。事先求取系数cos(kπ/N)和sin(kπ/N)的值，然后在计算时采用查表法的方法得到系数，可以省去了求三角函数的计算时间，进一步减少了FFT算法的运算量。通过以上的一些改进，最后在MSP430处理器上实现了该算法。经过测试，计算2048个采样点的FFT只需56ms，完全满足实时测量的时间要求。

在测量管内流动介质为水的情况下进行了实验。水稳压罐为管路提供恒定的水压，使实验时流量稳定，水流量的大小由调节阀来调节，流量范围为2～20m³/h。电磁流量计作为标准流量表给出进入实验段的水的标准流量值，精度为0.5％。通过电磁流量计测得的体积流量值乘以水的密度即得标准质量流量值。

从差压信号中得到的涡街频率和体积流量的关系如图7所示。从图中可见，信号频率同流体体积流量具有很好得线性关系。通过线性拟合，可以得到体积流量仪表系数为2.542Hz/(m³/h)，标定后仪表显示体积流量同标准表体积流量之间的相对误差如图8所示，最大相对误差小于2.0％。图9是差压平均值与流量之间的关系，从图中可见，差压平均值与流量之间是呈近似二次方关系。图10给出了质量流量和差压均值与涡街频率的比值之间的关系，对图中数据进行线性拟合，得到质量流量仪表系数为78.344(kg/h)/(Pa/Hz)。图11给出了用标定的质量流量仪表系数(78.344(kg/h)/(Pa/Hz))计算的质量流量与标准质量流量的相对误差，在流量大于6000kg/h的实验范围内，相对误差都小于2.0％。

以上结果表明，利用本发明提出的差压式涡街质量流量测量信号处理装置能够准确方便的测得管道内流动介质的质量流量。

Claims (5)

1、一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统，其特征在于：单片机分别与程控放大器、A/D转换器、自适应滤波器相接，程控放大器与信号平均值分离电路、A/D转换器相接，程控放大器与信号频率分离电路、自适应滤波器、A/D转换器相接，程控放大器与差压传感器、恒流电源相接。

2、根据权利要求1所述的一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统，其特征在于：所述的程控放大器电路为放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接。

3、根据权利要求1所述的一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统，其特征在于：所述的信号频率分离电路为放大器A2的正输入与电容C1、电容C2相接，放大器A2的正输入端经电阻R6接地，放大器A2的负输入端经电阻R9接地，放大器A2的输出端经电阻R1与电容C1、电容C2相接，放大器A2的输出端经电阻R8、电阻R9接地。

4、根据权利要求1所述的一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统，其特征在于：所述的信号平均值分离电路为放大器A3的正输入端与电阻R2、电阻R3相接，放大器A3的正输入端经电容C4接地，放大器A3的负输入端经电阻R4接地，放大器A3的输出端与电容C3、电阻R2相接，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R5接地。

5、根据权利要求1所述的一种差压式涡街质量流量测量信号处理系统，其特征在于：所述的自适应滤波器为放大器A4的正输入端经电阻R7与电源V_DD相接，放大器A4的正输入端经电阻R10接地，放大器A4的负输入端与放大器A4的输出端相接，放大器A5的正输入端与电阻R12相接，放大器A5的正输入端经电阻R11与放大器A4的输出端相接，放大器A5的负输入端经电阻R13接地，放大器A5的输出端经电阻R14与放大器A5的负输入端相接，滤波器U2的输入端与放大器A5的输出端相接。

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