面向特殊需求的涡街流量计关键技术研究

发布时间：2020-11-03 14:04

　　 随着科技和生产的发展,要求涡街流量计能够测量高温流体;低功耗、两线制地实现信号的数字处理,同时具有HART通信功能;能够测量雷诺数在5000~20000范围内的小流量。为此,针对这些特殊需求,研制用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路、数字式两线制HART涡街流量变送器、基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计。采用压电晶体材料制作的耐高温涡街流量传感器可以测量高温流体,但存在灵敏度低、阻抗变大的问题。为此,研制用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路。设计两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路,对耐高温涡街流量传感器输出的幅值较小的信号进行放大和滤波,获得稳定的流量信号;对传感器输出信号线以及信号调理电路进行屏蔽,防止由于阻抗变大导致调理电路输出信号受到较大的电磁干扰,特别是工频干扰的影响。引入HART通信增加了数字式两线制涡街流量计的功耗,且通信稳定性容易受电源波动的影响。为此,研制数字式两线制HART涡街流量变送器。采用稳压管与隔离型DC/DC相结合的电源设计,保证了HART通信的稳定工作;采用两路隔离电源的电源设计方案,提高了电源的负载能力和系统抗干扰能力,在进行数字信号处理的同时,实现两线制HART通信;与研制的用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路相结合,形成一个完整的用于耐高温涡街流量传感器的数字式两线制HART涡街流量变送器。实验结果表明,该变送器消耗的电流约为3.3378mA,测量液体流量的精度可以达到0.5级。常规的涡街流量计难以测量雷诺数在5000~20000范围内的小流量。为此,研制基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计。采用互相关分析方法,充分利用两路涡街流量信号的相似性,实现低雷诺数流量的测量;重新设计涡街流量计一次仪表,以满足互相关分析的要求;提出一种基于互相关分析快速计算延迟时间的方法,保证仪表的实时性;采用三次样条插值的方法,提高延迟时间的计算精度;以低功耗单片机MSP430F6459为核心,进行系统设计,满足低功耗要求。水流量标定结果表明,该涡街流量计量程下限所对应的雷诺数为6649,测量精度为1.0级。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH814;TP212
【部分图文】：

合肥工业大学硕士学位论文石英晶体的压电系数仅为钛酸钡压电陶瓷的五十分之一。这就导致采用压电晶体材料制作的耐高温涡街流量传感器输出信号幅值很小、灵敏度低且易受电磁干扰特别是工频干扰的影响，从而影响耐高温涡街流量计的测量精度、量程下限以及抗干扰能力。2.2 基于双电荷放大器的信号调理电路设计由于压电晶体材料的压电系数仅为压电陶瓷材料的几十分之一甚至几百分之一，采用压电晶体材料制作的耐高温涡街流量传感器的输出信号幅值太小，特别是在小流量时，传感器输出的涡街流量信号很容易被环境噪声所淹没。采用 50mm口径的涡街流量计一次仪表，在相同流量情况下(对应的涡街流量信号的频率约为60.22Hz)，压电陶瓷材料制作的普通涡街流量传感器和压电晶体材料制作的耐高温涡街流量传感器输出信号经过相同的信号调理电路放大滤波后的输出信号的幅值谱如图 2.3 所示。

第二章 用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路研制公式(2.2)表明，按照图 2.6 所示拓扑结构设计的第一级、第二级电荷放大器的频率特性由比例环节 R1C2、微分环节 S、惯性环节 1/（R1C1S+1）和 1/（R2C2S+1）组成。分析各环节的幅频特性可知，第一级、第二级电荷放大器的幅频特性可等效为一个有源带通滤波器。利用 MATLAB 软件绘制的采用两级电荷放大器方法中的第一级电荷放大器的幅频特性、第二级电荷放大器的幅频特性以及两级电荷放大器级联后的幅频特性，如图 2.7 所示。

(a) 采用一级电荷放大器 (b) 采用两级电荷放大器图 2.8 调理电路输出信号幅值谱对比Fig 2.8 Comparison of amplitude spectrum of output signal of conditioning circuit对比分析图 2.8中(a)和(b)两个幅值谱图可知，采用传统的一级电荷放大器时，由于耐高温涡街流量传感器的输出信号中，涡街流量信号幅值太小，经调理电路放大滤波后的，涡街流量信号被噪声所淹没，从而无法提取出流量信息；而采用两级电荷放大器时，利用第二级电荷放大器的放大和滤波作用，将涡街流量信号进行放大，并对噪声进行滤波，其调理电路输出信号的幅值谱中，涡街流量信号的幅值占据明显的优势，从而可以很容易地提取出流量信息。在以上相同的实验条件下，在传统的只采用一级电荷放大器的基础上，增加一级有源带通滤波器，调理电路输出信号的幅值谱如图 2.9 所示，其中，有源带通滤波器的放大倍数为 20 倍。
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本文编号：2868672