煙氣流量計(jì)的信號(hào)組成及處理與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

摘要：為降低煙氣流量計(jì)測量下限，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，本文基于 TMS320F2812 DSP 為核心的數(shù)字煙氣流量計(jì)，采用頻域分析和時(shí)域分析相結(jié)合的方式，將煙氣流量計(jì)流量下線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了煙氣流量計(jì)的量程比。
引言
煙氣流量計(jì)通過測量旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦的頻率實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量。因其在制造、使用和維護(hù)方面較其他類型的流量測量儀表有著獨(dú)特的優(yōu)勢，煙氣流量計(jì)在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于其不適用于低流速流體的測量，煙氣流量計(jì)的使用也受到限制。
目前，采用基于模擬電子技術(shù)的信號(hào)處理方法的煙氣流量計(jì)被廣泛使用，為了解決煙氣流量計(jì)低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控制核心，實(shí)現(xiàn)了用于液體測量的數(shù)字煙氣流量計(jì)。
1 渦街信號(hào)組成及處理
渦街信號(hào)主要由有用信號(hào)和噪聲( 或者干擾)信號(hào)兩部分構(gòu)成。渦街傳感器輸出的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大電路和濾波電路后，形 成 電 壓 信 號(hào)。在信號(hào)的放大過程中，有用信號(hào)和噪聲同時(shí)被放大。因此煙氣流量計(jì)不適用于低流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號(hào)中提取渦街信號(hào)，在信號(hào)處理電路中就需要增加濾波器環(huán)節(jié)。目前在煙氣流量計(jì)的信號(hào)處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式只在電路的局部環(huán)節(jié)應(yīng)用;
2) 用電阻、電容與運(yùn)算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據(jù)信號(hào)、噪聲變化的特點(diǎn)采用數(shù)字技術(shù)的跟蹤濾波器、自適應(yīng)濾波器;
4)用頻譜分析的方法對信號(hào)、噪聲的頻譜特性進(jìn)行分析，抑制噪聲，提取有用信號(hào)。
本課題設(shè)計(jì)的煙氣流量計(jì)采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本文設(shè)計(jì)的基于 TMS320F2812 DSP 的數(shù)字煙氣流量計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)由前置放大電路和數(shù)字信號(hào)處理電路兩部分組成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應(yīng)用的普通煙氣流量計(jì)的前置放大電路，主要由電荷放大電路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發(fā)電路組成; 對于經(jīng)壓電傳感器測得的渦街信號(hào)采用了頻域分析和時(shí)域分析相結(jié)合的方式，即由前置放大電路和數(shù)字信號(hào)處理電路相配合。時(shí)域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波進(jìn)行頻率計(jì)算，然后再由 DSP 事件管理器通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾波電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率，*后由 DSP 通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖如圖 1 所示。

被測流體在正常流速下，選擇時(shí)域分析通道，即前置放大電路對渦街信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后將此方波信號(hào)輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進(jìn)行脈沖計(jì)頻，再通過 DSP 運(yùn)算處理，*后由事件管理器通用定時(shí)器的比較輸出模塊進(jìn)行脈沖輸出。此設(shè)計(jì)方案借鑒了傳統(tǒng)模擬煙氣流量計(jì)的信號(hào)處理方法，具有在正常流量范圍內(nèi)高信噪比情況下計(jì)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦街信號(hào)容易受到嚴(yán)重的干擾，造成整形時(shí)的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致 DSP 計(jì)算、輸出頻率不準(zhǔn)，甚至無法測量。選擇頻域分析通道，利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，之后進(jìn)行快速傅里葉變換和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)頻率值，*后采用與時(shí)域分析通道相同的方式進(jìn)行脈沖輸出。頻域分析通道的設(shè)計(jì)方案把數(shù)字信號(hào)處理的方法應(yīng)用到實(shí)際中，很好地解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比信號(hào)處理問題，通過實(shí)驗(yàn)證明，可顯著地降低渦街信號(hào)的測量下限且計(jì)量準(zhǔn)確，具有實(shí)際意義。
3 試驗(yàn)裝置
本文的試驗(yàn)是在天津大學(xué)過程檢測和控制實(shí)驗(yàn)室的高精度穩(wěn)壓水流量實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗(yàn)裝置主要由兩個(gè)部分組成--稱重系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)表( 渦輪流量計(jì)) 系統(tǒng)。本文采用稱重系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。
在試驗(yàn)裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動(dòng)時(shí)，觸發(fā)計(jì)時(shí)控制器，以保證水的重量和時(shí)間的同步測量。
稱量容器將其內(nèi)部水排空后，將電子秤示數(shù)調(diào)零，保證電子秤的示數(shù)為流入的水的重量。試驗(yàn)開始時(shí)，換向器置于使水流入旁通管路的方向，當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)換向器，將水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動(dòng)過程中，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器和被校表的脈沖計(jì)數(shù)器。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的水量時(shí)，設(shè)置換向器自動(dòng)換向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間和被校表脈沖計(jì)數(shù)器顯示的脈沖數(shù)。由水的總質(zhì)量和計(jì)量的時(shí)間便可以折算出這段時(shí)間平均的標(biāo)準(zhǔn)流量值，再結(jié)合被校表脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)儀表系數(shù)的標(biāo)定。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
將本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)字煙氣流量計(jì)在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。先在其正常流量范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的*小流量。每個(gè)流量點(diǎn)試驗(yàn)三次，計(jì)算其重復(fù)性、平均儀表系數(shù)和線性度。水流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示。
本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)字煙氣流量計(jì)有效地降低了DN50 液體煙氣流量計(jì)的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號(hào)( 該頻率對應(yīng)的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。

5 小結(jié)
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用于液體測量的數(shù)字煙氣流量計(jì)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該數(shù)字煙氣流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)對小流量液體的測量，拓寬了煙氣流量計(jì)的量程比。

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