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煙氣流量（liàng）計的信號組成及處理與係統實現
點擊次數：2317 發布時間：2021-01-08 05:54:18
摘要：為降低煙（yān）氣流量計測量下限，拓展其應用（yòng）領域，本文（wén）基（jī）於 TMS320F2812 DSP 為核心的數字（zì）煙氣流量計，采用頻（pín）域分析和（hé）時（shí）域分析相結（jié）合的方式，將（jiāng）煙氣流量計流量下（xià）線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了煙氣流量計的量程比。
引言
煙氣流量計通過（guò）測量旋渦發生體（tǐ）兩側交替產生（shēng）有規律的旋渦的頻率實現流量計量。因（yīn）其在製（zhì）造、使用和維（wéi）護方麵較其他類（lèi）型的流（liú）量測量儀表有著獨特的優勢，煙（yān）氣流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領（lǐng）域（yù）得到了廣泛的應用。但由於其不適用於低流速流體的測量，煙氣流量計的使用也（yě）受到限製。
目前，采用基於模擬電子技術的信號處（chù）理方法的煙（yān）氣流（liú）量計被廣泛使用，為了解決煙氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核（hé）心，實（shí）現了用於（yú）液體測量（liàng）的數字煙氣流（liú）量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者幹擾)信號兩部分構成（chéng）。渦街傳感器輸出的電（diàn）荷信號，經（jīng）電荷放大電路和濾波電路後（hòu），形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用（yòng）信號和噪聲同時被放大。因此煙氣流（liú）量計不適用於低流速流（liú）體的測量（liàng）。
要從含有各種噪聲成分的（de）信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加（jiā）濾波器環節（jiē）。目前在煙氣流量計的信號處理電路中（zhōng），采用的濾波（bō）器有以下（xià）幾種:
1) 用電阻、電容（róng）、電感等無源（yuán）器件組成（chéng）的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式隻在電路的局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器（qì）組成（chéng）有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪（zào）聲變（biàn）化的特（tè）點采用數字技術的跟（gēn）蹤（zōng）濾波器、自（zì）適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法（fǎ）對信號、噪（zào）聲的頻譜特性進行分析，抑製噪聲，提取有用信號。
本課題設計的（de）煙氣流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 係統實（shí）現
本（běn）文設計的（de）基於 TMS320F2812 DSP 的數字煙氣（qì）流量計的信號處理係統由前置放大電路和數字信號處理電（diàn）路兩部分組成。本文選用的前置放大（dà）電路即為目前被廣（guǎng）泛（fàn）應用的（de）普通煙氣流量計的前置放大電路（lù），主要由電荷放大（dà）電路、低通濾波電路、限幅濾波（bō）電路和施密特觸發電路組成; 對於經（jīng）壓電傳感器測得的渦（wō）街信號采用了頻域分析和時域分（fèn）析（xī）相（xiàng）結合的（de）方式，即由（yóu）前置放大電路（lù）和數字信號處理（lǐ）電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大（dà）電路輸出的方波進（jìn）行（háng）頻率計算，然後再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。頻域分析（xī）通（tōng）道即 DSP對（duì）低通濾波（bō）電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣（yàng）的（de）結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*後由 DSP 通用定時器的比較輸（shū）出模塊進行脈衝輸出。係（xì）統設計方案示意圖（tú）如圖 1 所示（shì）。
被（bèi）測流體在正常流速下（xià），選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然後將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈衝計頻（pín），再通過 DSP 運算處理，*後由事件管理器通（tōng）用定時器的（de）比較輸出模塊進行脈衝（chōng）輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬煙氣流量計的信號處理方法，具有在正常流量範（fàn）圍內高信噪比情況（kuàng）下計量準確（què）、實時性好的優點。
被測流體在低流（liú）速下，若（ruò）仍按上（shàng）述方式（shì），渦街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸發，從而（ér）導致 DSP 計算、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 采樣端口對經電荷放大、低（dī）通濾波處理後的正弦信號進行采樣，之後進行快速傅裏葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號（hào）頻率值，*後采用與時域分析通道相同（tóng）的方式進行脈（mò）衝輸出（chū）。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理（lǐ）的（de）方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬（nǐ）方法很難（nán）解決的低（dī）信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低（dī）渦街（jiē）信號的測（cè）量下限且計量（liàng）準確（què），具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過（guò）程（chéng）檢測和控製實驗室的高精度穩（wěn）壓水（shuǐ）流量實驗（yàn）裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置主要由兩個部分（fèn）組（zǔ）成--稱（chēng）重係統和（hé）標準表( 渦（wō）輪流量計) 係統。本文采用稱重（chóng）係統進行試驗。
在試驗裝置管路出（chū）口處裝（zhuāng）有換向（xiàng）器，用來改變流體的流（liú）向（xiàng），使水流入稱（chēng）量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發計時控製器（qì），以保證（zhèng）水（shuǐ）的（de）重量和時間的（de）同（tóng）步測量。
稱量容器將（jiāng）其（qí）內部水排空後，將電（diàn）子秤示數調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試（shì）驗（yàn）開始時，換向器置（zhì）於使水流入旁通管路（lù）的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入（rù）稱量容器。在換（huàn）向器啟動過程（chéng）中，同時啟動計時器和被（bèi）校表的脈衝計數器。當到達預定的水量時，設置換向器自（zì）動換向，使（shǐ）水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈衝計數器顯示的脈衝數。由水的總質量和計量的時間便可（kě）以折（shé）算出這段時間平均的標準流量（liàng）值，再結合被（bèi）校表脈衝（chōng）數，實現儀表係數的標定（dìng）。
4 試驗數據
將本文實現的數字煙氣流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗（yàn）裝置上進行試驗（yàn）。先在其（qí）正（zhèng）常流量範圍內進行試驗，流量從大到小逐（zhú）漸降低，之後不斷探求其所能測量的*小（xiǎo）流量（liàng）。每個流量點試驗（yàn）三次，計算其重複性、平均儀表係數和線性度。水流量試驗數據（jù）如表 1 所示。
本文實現的數字煙氣流量（liàng）計有效地降低了DN50 液體煙氣流量（liàng）計的測量下限，*低可以測（cè）量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比（bǐ）拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用於（yú）液體測量的數字煙氣流量計，由試驗數據可知，該數字煙氣流量計可實現對小流量液體的測量，拓寬（kuān）了煙氣流量（liàng）計的量程比。
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引言
煙氣流量計通過（guò）測量旋渦發生體（tǐ）兩側交替產生（shēng）有規律的旋渦的頻率實現流量計量。因（yīn）其在製（zhì）造、使用和維（wéi）護方麵較其他類（lèi）型的流（liú）量測量儀表有著獨特的優勢，煙（yān）氣流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領（lǐng）域（yù）得到了廣泛的應用。但由於其不適用於低流速流體的測量，煙氣流量計的使用也（yě）受到限製。
目前，采用基於模擬電子技術的信號處（chù）理方法的煙（yān）氣流（liú）量計被廣泛使用，為了解決煙氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核（hé）心，實（shí）現了用於（yú）液體測量（liàng）的數字煙氣流（liú）量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者幹擾)信號兩部分構成（chéng）。渦街傳感器輸出的電（diàn）荷信號，經（jīng）電荷放大電路和濾波電路後（hòu），形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用（yòng）信號和噪聲同時被放大。因此煙氣流（liú）量計不適用於低流速流（liú）體的測量（liàng）。
要從含有各種噪聲成分的（de）信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加（jiā）濾波器環節（jiē）。目前在煙氣流量計的信號處理電路中（zhōng），采用的濾波（bō）器有以下（xià）幾種:
1) 用電阻、電容（róng）、電感等無源（yuán）器件組成（chéng）的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式隻在電路的局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器（qì）組成（chéng）有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪（zào）聲變（biàn）化的特（tè）點采用數字技術的跟（gēn）蹤（zōng）濾波器、自（zì）適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法（fǎ）對信號、噪（zào）聲的頻譜特性進行分析，抑製噪聲，提取有用信號。
本課題設計的（de）煙氣流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 係統實（shí）現
本（běn）文設計的（de）基於 TMS320F2812 DSP 的數字煙氣（qì）流量計的信號處理係統由前置放大電路和數字信號處理電（diàn）路兩部分組成。本文選用的前置放大（dà）電路即為目前被廣（guǎng）泛（fàn）應用的（de）普通煙氣流量計的前置放大電路（lù），主要由電荷放大（dà）電路、低通濾波電路、限幅濾波（bō）電路和施密特觸發電路組成; 對於經（jīng）壓電傳感器測得的渦（wō）街信號采用了頻域分析和時域分（fèn）析（xī）相（xiàng）結合的（de）方式，即由（yóu）前置放大電路（lù）和數字信號處理（lǐ）電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大（dà）電路輸出的方波進（jìn）行（háng）頻率計算，然後再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。頻域分析（xī）通（tōng）道即 DSP對（duì）低通濾波（bō）電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣（yàng）的（de）結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*後由 DSP 通用定時器的比較輸（shū）出模塊進行脈衝輸出。係（xì）統設計方案示意圖（tú）如圖 1 所示（shì）。
被（bèi）測流體在正常流速下（xià），選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然後將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈衝計頻（pín），再通過 DSP 運算處理，*後由事件管理器通（tōng）用定時器的（de）比較輸出模塊進行脈衝（chōng）輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬煙氣流量計的信號處理方法，具有在正常流量範（fàn）圍內高信噪比情況（kuàng）下計量準確（què）、實時性好的優點。
被測流體在低流（liú）速下，若（ruò）仍按上（shàng）述方式（shì），渦街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸發，從而（ér）導致 DSP 計算、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 采樣端口對經電荷放大、低（dī）通濾波處理後的正弦信號進行采樣，之後進行快速傅裏葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號（hào）頻率值，*後采用與時域分析通道相同（tóng）的方式進行脈（mò）衝輸出（chū）。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理（lǐ）的（de）方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬（nǐ）方法很難（nán）解決的低（dī）信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低（dī）渦街（jiē）信號的測（cè）量下限且計量（liàng）準確（què），具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過（guò）程（chéng）檢測和控製實驗室的高精度穩（wěn）壓水（shuǐ）流量實驗（yàn）裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置主要由兩個部分（fèn）組（zǔ）成--稱（chēng）重係統和（hé）標準表( 渦（wō）輪流量計) 係統。本文采用稱重（chóng）係統進行試驗。
在試驗裝置管路出（chū）口處裝（zhuāng）有換向（xiàng）器，用來改變流體的流（liú）向（xiàng），使水流入稱（chēng）量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發計時控製器（qì），以保證（zhèng）水（shuǐ）的（de）重量和時間的（de）同（tóng）步測量。
稱量容器將（jiāng）其（qí）內部水排空後，將電（diàn）子秤示數調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試（shì）驗（yàn）開始時，換向器置（zhì）於使水流入旁通管路（lù）的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入（rù）稱量容器。在換（huàn）向器啟動過程（chéng）中，同時啟動計時器和被（bèi）校表的脈衝計數器。當到達預定的水量時，設置換向器自（zì）動換向，使（shǐ）水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈衝計數器顯示的脈衝數。由水的總質量和計量的時間便可（kě）以折（shé）算出這段時間平均的標準流量（liàng）值，再結合被（bèi）校表脈衝（chōng）數，實現儀表係數的標定（dìng）。
4 試驗數據
將本文實現的數字煙氣流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗（yàn）裝置上進行試驗（yàn）。先在其（qí）正（zhèng）常流量範圍內進行試驗，流量從大到小逐（zhú）漸降低，之後不斷探求其所能測量的*小（xiǎo）流量（liàng）。每個流量點試驗（yàn）三次，計算其重複性、平均儀表係數和線性度。水流量試驗數據（jù）如表 1 所示。
本文實現的數字煙氣流量（liàng）計有效地降低了DN50 液體煙氣流量（liàng）計的測量下限，*低可以測（cè）量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比（bǐ）拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用於（yú）液體測量的數字煙氣流量計，由試驗數據可知，該數字煙氣流量計可實現對小流量液體的測量，拓寬（kuān）了煙氣流量（liàng）計的量程比。
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