鍋爐煙氣流量計的信號組成及處理與係統（tǒng）試驗分析（xī）
點擊次（cì）數：2076 發布時間：2021-01-08 05:52:26
摘要：為（wéi）降低鍋（guō）爐煙氣流量計測量（liàng）下限（xiàn），拓展其應用領（lǐng）域，本文基於 TMS320F2812 DSP 為核（hé）心（xīn）的數字流量（liàng）計，采用頻域分析和時域分析相結合的方式，將鍋爐（lú）煙氣流量計流量（liàng）下線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了流量計的量程比。
引言（yán）
鍋爐（lú）煙氣流量計通過測量旋渦發生體兩側交替產生有規律的旋渦（wō）的頻率實現流量計（jì）量。因其在製造、使用和維護方麵較其他類型的流量（liàng）測量儀表有著獨特的優勢（shì），流量計（jì）在輕工、化工（gōng）、電力、冶金、城市公用事業等領域得（dé）到了廣泛（fàn）的應用。但由於其不（bú）適用於低流速流體的測量，鍋爐煙氣流量計的使用也受到限製。
目前，采用基於模擬電子技術的信號處（chù）理（lǐ）方法的（de）流量計被廣泛使用，為了解決鍋爐煙氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核心，實現了用於液體測（cè）量的數（shù）字流量計。
1 渦街信號組成及處（chù）理
渦（wō）街（jiē）信號主要由有用信號和噪聲( 或（huò）者幹擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路後，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪（zào）聲同時被放大。因此（cǐ）流量計不適用於低流速流（liú）體的測量。
要從含有（yǒu）各種噪聲成（chéng）分的（de）信號中提取渦街信號，在（zài）信號處理電路中就需要增加濾波器環節。目前在鍋爐煙氣流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電（diàn）阻、電容（róng）、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波（bō）器、LC 濾波器（qì），這種濾波形式隻在電路的（de）局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通（tōng）、高通、帶（dài）通（tōng）濾波器（qì）;
3) 根據信號、噪（zào）聲變化的特點采用數字技術的跟蹤（zōng）濾波器、自（zì）適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法（fǎ）對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑製（zhì）噪聲，提取有用（yòng）信號。
本課題設（shè）計的流量計（jì）采用的是以上濾（lǜ）波方式（shì）中的（de） 2) 、4) 兩種。
2 係統實（shí）現
本文設計的基於 TMS320F2812 DSP 的數字鍋爐煙氣（qì）流量計的信號處理係統由（yóu）前置放大（dà）電路和數字信號處理電路兩部分組（zǔ）成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路（lù）、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發電路（lù）組成; 對於經壓電傳（chuán）感器測（cè）得的渦街信號采用了頻域分析（xī）和時域分析相結合的方式，即由前置（zhì）放大電路和（hé）數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模（mó）塊，對前置放大電路（lù）輸出的方波進行頻率計算，然後再由 DSP 事件管理器通用（yòng）定時器的比較輸出（chū）模塊進行脈衝輸（shū）出。頻域（yù）分析通道即 DSP對低通濾波電（diàn）路輸出（chū）的疊（dié）加了許多噪（zào）聲的（de）正弦（xián）信號進（jìn）行（háng） A/D 采樣，再利（lì）用 DSP 對 A/D 采樣的結果進行頻譜分析，從而（ér）得出此時渦街信號（hào）的頻率，*後由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊（kuài）進行脈衝輸出。係統設計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在（zài）正常（cháng）流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對（duì）渦街信號（hào）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（huò）模塊，進行脈衝計頻，再通過（guò） DSP 運算處理，*後由（yóu）事（shì）件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬（nǐ）鍋爐煙氣流量計的信號（hào）處理方法，具有在（zài）正常流量範圍（wéi）內高信噪比情況下（xià）計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦（wō）街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸（chù）發（fā），從而導致 DSP 計（jì）算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析（xī）通道（dào），利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾波處理後的正（zhèng）弦信號進行采樣（yàng），之後進行快（kuài）速傅裏葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*後采用與（yǔ）時（shí）域分析通道相同的方式（shì）進行脈衝輸出。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地（dì）解決了傳統模擬方（fāng）法很難解決的（de）低信噪比信號（hào）處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信（xìn）號的測量下限且計量準確（què），具有實際意義。
3 試驗裝置
本文（wén）的試驗是在天（tiān）津大學過程檢測和控製實驗（yàn）室的高精度穩壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖（tú） 2 所示。可以看到（dào）試驗裝置主要由（yóu）兩個部分組成（chéng）--稱重係統和標準表( 渦輪（lún）流（liú）量計) 係（xì）統。本文采用稱重係統進（jìn）行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流（liú）入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換（huàn）向器啟動時，觸發計時控製器，以保證水（shuǐ）的重量和時間（jiān）的（de）同步測（cè）量。
稱量容（róng）器將其（qí）內部水排空後，將（jiāng）電子秤示數（shù）調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試驗開始時，換向器（qì）置於（yú）使（shǐ）水流入旁通管路的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量（liàng）容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被（bèi）校表的脈衝計數器（qì）。當到達預（yù）定的水量時，設置換向器自動換向，使（shǐ）水流由稱量容器換向到旁通管路（lù），記錄計時器顯示（shì）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）以折算出這段時間平均的標準流量值，再結（jié）合被校表脈衝數（shù），實現（xiàn）儀表係數的標定。
4 試驗數（shù）據
將本文實（shí）現的數字鍋爐煙氣流量計在上述 50mm 口 徑（jìng）( 簡稱 DN50) 的（de）水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量範圍內進行（háng）試驗，流量從大到小（xiǎo）逐漸降低，之（zhī）後不斷探求其所能測量的*小流量（liàng）。每個流量點試驗三次，計算其重（chóng）複性、平（píng）均儀表係數（shù）和線性度（dù）。水流量試驗（yàn）數據如表 1 所示。
本文實現的數字流量（liàng）計有效地降低了DN50 液體鍋爐煙（yān）氣流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小（xiǎo）結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核（hé）心的用於液體測（cè）量的數字（zì）流量計，由試驗數據可知，該數字流量計可實現對（duì）小流量液體的測（cè）量，拓寬了流量計的量程比。
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引言（yán）
鍋爐（lú）煙氣流量計通過測量旋渦發生體兩側交替產生有規律的旋渦（wō）的頻率實現流量計（jì）量。因其在製造、使用和維護方麵較其他類型的流量（liàng）測量儀表有著獨特的優勢（shì），流量計（jì）在輕工、化工（gōng）、電力、冶金、城市公用事業等領域得（dé）到了廣泛（fàn）的應用。但由於其不（bú）適用於低流速流體的測量，鍋爐煙氣流量計的使用也受到限製。
目前，采用基於模擬電子技術的信號處（chù）理（lǐ）方法的（de）流量計被廣泛使用，為了解決鍋爐煙氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核心，實現了用於液體測（cè）量的數（shù）字流量計。
1 渦街信號組成及處（chù）理
渦（wō）街（jiē）信號主要由有用信號和噪聲( 或（huò）者幹擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路後，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪（zào）聲同時被放大。因此（cǐ）流量計不適用於低流速流（liú）體的測量。
要從含有（yǒu）各種噪聲成（chéng）分的（de）信號中提取渦街信號，在（zài）信號處理電路中就需要增加濾波器環節。目前在鍋爐煙氣流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電（diàn）阻、電容（róng）、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波（bō）器、LC 濾波器（qì），這種濾波形式隻在電路的（de）局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通（tōng）、高通、帶（dài）通（tōng）濾波器（qì）;
3) 根據信號、噪（zào）聲變化的特點采用數字技術的跟蹤（zōng）濾波器、自（zì）適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法（fǎ）對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑製（zhì）噪聲，提取有用（yòng）信號。
本課題設（shè）計的流量計（jì）采用的是以上濾（lǜ）波方式（shì）中的（de） 2) 、4) 兩種。
2 係統實（shí）現
本文設計的基於 TMS320F2812 DSP 的數字鍋爐煙氣（qì）流量計的信號處理係統由（yóu）前置放大（dà）電路和數字信號處理電路兩部分組（zǔ）成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路（lù）、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發電路（lù）組成; 對於經壓電傳（chuán）感器測（cè）得的渦街信號采用了頻域分析（xī）和時域分析相結合的方式，即由前置（zhì）放大電路和（hé）數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模（mó）塊，對前置放大電路（lù）輸出的方波進行頻率計算，然後再由 DSP 事件管理器通用（yòng）定時器的比較輸出（chū）模塊進行脈衝輸（shū）出。頻域（yù）分析通道即 DSP對低通濾波電（diàn）路輸出（chū）的疊（dié）加了許多噪（zào）聲的（de）正弦（xián）信號進（jìn）行（háng） A/D 采樣，再利（lì）用 DSP 對 A/D 采樣的結果進行頻譜分析，從而（ér）得出此時渦街信號（hào）的頻率，*後由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊（kuài）進行脈衝輸出。係統設計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在（zài）正常（cháng）流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對（duì）渦街信號（hào）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（huò）模塊，進行脈衝計頻，再通過（guò） DSP 運算處理，*後由（yóu）事（shì）件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬（nǐ）鍋爐煙氣流量計的信號（hào）處理方法，具有在（zài）正常流量範圍（wéi）內高信噪比情況下（xià）計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦（wō）街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸（chù）發（fā），從而導致 DSP 計（jì）算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析（xī）通道（dào），利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾波處理後的正（zhèng）弦信號進行采樣（yàng），之後進行快（kuài）速傅裏葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*後采用與（yǔ）時（shí）域分析通道相同的方式（shì）進行脈衝輸出。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地（dì）解決了傳統模擬方（fāng）法很難解決的（de）低信噪比信號（hào）處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信（xìn）號的測量下限且計量準確（què），具有實際意義。
3 試驗裝置
本文（wén）的試驗是在天（tiān）津大學過程檢測和控製實驗（yàn）室的高精度穩壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖（tú） 2 所示。可以看到（dào）試驗裝置主要由（yóu）兩個部分組成（chéng）--稱重係統和標準表( 渦輪（lún）流（liú）量計) 係（xì）統。本文采用稱重係統進（jìn）行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流（liú）入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換（huàn）向器啟動時，觸發計時控製器，以保證水（shuǐ）的重量和時間（jiān）的（de）同步測（cè）量。
稱量容（róng）器將其（qí）內部水排空後，將（jiāng）電子秤示數（shù）調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試驗開始時，換向器（qì）置於（yú）使（shǐ）水流入旁通管路的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量（liàng）容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被（bèi）校表的脈衝計數器（qì）。當到達預（yù）定的水量時，設置換向器自動換向，使（shǐ）水流由稱量容器換向到旁通管路（lù），記錄計時器顯示（shì）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）以折算出這段時間平均的標準流量值，再結（jié）合被校表脈衝數（shù），實現（xiàn）儀表係數的標定。
4 試驗數（shù）據
將本文實（shí）現的數字鍋爐煙氣流量計在上述 50mm 口 徑（jìng）( 簡稱 DN50) 的（de）水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量範圍內進行（háng）試驗，流量從大到小（xiǎo）逐漸降低，之（zhī）後不斷探求其所能測量的*小流量（liàng）。每個流量點試驗三次，計算其重（chóng）複性、平（píng）均儀表係數（shù）和線性度（dù）。水流量試驗（yàn）數據如表 1 所示。
本文實現的數字流量（liàng）計有效地降低了DN50 液體鍋爐煙（yān）氣流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小（xiǎo）結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核（hé）心的用於液體測（cè）量的數字（zì）流量計，由試驗數據可知，該數字流量計可實現對（duì）小流量液體的測（cè）量，拓寬了流量計的量程比。
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