專利名稱：一種渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬流量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類逐步進(jìn)入了信息社會(huì)，信息工業(yè)已顯示出其強(qiáng)大的生命力。信息工業(yè)有三大支柱，檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，這三者缺一不可。與通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)相比，檢測(cè)技術(shù)仍處于落后狀態(tài)。從信息論的觀點(diǎn)來看，檢測(cè)技術(shù)是獲得、轉(zhuǎn)化各種信息的主要技術(shù)，是進(jìn)行信息傳遞的基礎(chǔ)。可以想象，如果最初獲取的信息不可靠，即使后續(xù)處理技術(shù)再先進(jìn)，所得到的結(jié)果也是毫無意義的。所以大力發(fā)展檢測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行。而作為檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，流量檢測(cè)技術(shù)占有重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中，流量這一過程參數(shù)占所檢測(cè)參數(shù)的30％～40％。就目前投入工業(yè)應(yīng)用的流量計(jì)來看，大部分為體積流量計(jì)。即測(cè)量的是單位時(shí)間內(nèi)流體流過的體積。而在生產(chǎn)實(shí)際中，如工業(yè)生產(chǎn)的配比和品質(zhì)控制、物料和能量平衡以及貿(mào)易儲(chǔ)運(yùn)等方面，往往需要知道流體的質(zhì)量流量。經(jīng)過幾十年的努力，人們開發(fā)了有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的質(zhì)量流量計(jì)。隨著質(zhì)量流量儀表進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段，石油、化工、食品、能源等部門紛紛選用質(zhì)量流量儀表，以提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。例如一臺(tái)直接式質(zhì)量流量計(jì)可以分別測(cè)量進(jìn)入配比反應(yīng)器的多種流體，提高配比率的精度，節(jié)約原料，又可取消多種流體各自管道上的流量儀表。又如在供熱系統(tǒng)中，以質(zhì)量流量計(jì)量比目前的體積流量計(jì)量更合理。
就整個(gè)流量儀表發(fā)展?fàn)顩r來看，氣體的流量測(cè)量問題還遠(yuǎn)未解決，特別是氣體質(zhì)量流量的測(cè)量更急需發(fā)展。尤其是大管徑、大流量、高溫介質(zhì)的質(zhì)量流量測(cè)量，以及帶有兩相流的雙參數(shù)測(cè)量等均是非常急需而又沒有很好解決的問題。
利用渦街方式測(cè)量氣體質(zhì)量流量是目前研究的熱點(diǎn)之一[1，2，3]，其原因是渦街流量計(jì)具有量程比高，壓力損失小，精度高等優(yōu)點(diǎn)，主要的方法有如下幾種，(1)渦街差壓法[1]，該法是利用渦街流量計(jì)測(cè)量體積流量，然后測(cè)量渦街前后的壓差，經(jīng)過換算得出工質(zhì)的質(zhì)量流量。這種方法的缺點(diǎn)是，渦街前后的壓差較小，使得壓差讀數(shù)很小，而測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大，原因是渦街流量計(jì)前后要求一定的直管段，壓差測(cè)點(diǎn)之間的距離必須大于這個(gè)直管段，一般情況下前后直管段長度為15倍的管徑，所以這套測(cè)量系統(tǒng)必定很大。如遇到較大的管徑，受場(chǎng)地的限制，測(cè)量可能無法進(jìn)行。(2)利用渦街流量計(jì)加溫度壓力補(bǔ)償?shù)姆椒y(cè)量質(zhì)量流量，這種方法的缺點(diǎn)與前一種方法類似，結(jié)構(gòu)龐大，需有15倍左右的直管段要求，一般需兩個(gè)測(cè)量儀表，也不能適應(yīng)兩相流工況。(3)除利用渦街發(fā)生體外，還在渦街發(fā)生體內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)可動(dòng)部件[3]，這個(gè)部件會(huì)隨旋渦脫落壓力的變化而移動(dòng)，利用這個(gè)移動(dòng)量反映流體壓力的大小，這種方法是結(jié)構(gòu)緊湊，但由于內(nèi)部的可移動(dòng)部件使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且移動(dòng)部件對(duì)壓力的響應(yīng)有一定的誤差，因此，測(cè)量精度也會(huì)受到影響，不能適應(yīng)兩相流工況。目前市場(chǎng)上還未見有結(jié)構(gòu)緊湊的一體化渦街式可用于兩相流的高溫質(zhì)量流量測(cè)量裝置。
參考文獻(xiàn)1.姜仲霞，劉桂芳，蔡孝國，張川潮，差壓型渦街質(zhì)量流量計(jì)，實(shí)用新型專利，90211874.9，中國，19912.I.Itoh and S.Ohki，Mass flowmeter detecting fluctuations in lift generated by vortexshedding，F(xiàn)low Meas.Instrum，1994，4(4)215～2233.Toru Mizuno，Aichi，Sinzi Nanba，Kariya，Mass flowmeter，United StatesPatent，4630484，Patonted，1986，12，234.李永光，利用氣液兩相渦街特性測(cè)量氣液兩相流流量與組分的研究，上海理工大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，1997。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)體積小的，可適用于大管徑、大流量、高溫介質(zhì)及氣液兩相流工況的渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器。
傳統(tǒng)的渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖1所示，這種系統(tǒng)對(duì)在小流量的情況下抗干擾信號(hào)的能力不是很理想。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套新的渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器電路，如圖2所示。它由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉(zhuǎn)換器、DSP放大器(可變信號(hào)放大器)、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通訊控制器經(jīng)電路連接組成。其中，渦街傳感器將采樣到的信號(hào)經(jīng)過前置放大器，轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)進(jìn)入高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)入DSP放大器放大，最后進(jìn)入CPU；壓力傳感器和溫度傳感器分別將采樣到的流體的壓力和溫度信號(hào)送入A/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)入CPU；CPU將接收到的溫度、壓力、渦街脈沖數(shù)據(jù)(模擬采樣數(shù)據(jù))進(jìn)行處理，其中，根據(jù)渦街脈沖數(shù)據(jù)計(jì)算渦街脈沖的頻率，根據(jù)儀表系數(shù)，計(jì)算得到補(bǔ)償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計(jì)算出密度，最后計(jì)算得到流體的質(zhì)量流量；CPU分3路輸出一路連顯示器，顯示器顯示溫度、壓力、流量、累計(jì)值等；一路連接A/D轉(zhuǎn)換器，以電流形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量；另一路連接脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器，以方波形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量；通訊控制與CPU連接，采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，采用屏蔽雙絞線。
本發(fā)明中，1采樣信號(hào)采用二級(jí)放大，即前置信號(hào)放大器+可變信號(hào)放大器(K)(DSP放大器)，以滿足流量信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍變化大的特點(diǎn)。
2對(duì)渦街的渦街波形信號(hào)Vi，同時(shí)獲得采樣值Vi和有效值Vrms=1nΣi=1nVi2]]>其中n為高速A/d采樣速度，Vi為電壓波形瞬時(shí)信號(hào)，是A/d采樣實(shí)時(shí)信號(hào)。Vrms有效值為DSP計(jì)算輸出。
3為得到穩(wěn)定的有效信號(hào)，選用適當(dāng)?shù)谋戎担涂梢杂行V掉原渦街信號(hào)中漩渦信號(hào)所含的隨機(jī)干擾，特別有利于對(duì)小信號(hào)的處理，避免在小信號(hào)切除點(diǎn)附近脈沖信號(hào)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象。為此，還需要對(duì)波形作延時(shí)處理，延遲時(shí)間τ取前周期的 t時(shí)間t=1m-nΣi=nmTi]]>4、CPU定時(shí)的把采樣的電壓Vi與 的Vrms進(jìn)行比較，(在時(shí)間τ內(nèi)有效)把每次Vi超越時(shí)間紀(jì)錄在內(nèi)存中，再讓Vi與負(fù) 的Vrms進(jìn)行比較，(在時(shí)間τ內(nèi)有效)把每次Vi超越時(shí)間(系統(tǒng)內(nèi)部的工作時(shí)間)紀(jì)錄在內(nèi)存序列中，……。Vi在 的Vrms～ 的Vrms范圍內(nèi)認(rèn)為是過渡區(qū)。由此獲得渦街波形每個(gè)周期時(shí)間，平均后得到渦街的實(shí)時(shí)工作頻率。
Fi=(m-n).÷(Σi=nmTi)]]>5、可變信號(hào)放大器的放大倍數(shù)根據(jù)流量信號(hào)的大小，跟蹤調(diào)節(jié)。
信號(hào)的放大倍數(shù)為K，由CPU發(fā)出命令進(jìn)行改變。放大倍數(shù)為K的改變每次為2(如原來為K＝4，再增大改為K＝8；縮小改為K＝2)，一直到限定范圍(1＜K＜128不同的放大器有不同的放大倍數(shù))當(dāng)信號(hào)Vrms>12Vmax]]>減小放大倍數(shù)，(Vama為電壓Vi中的最大值)當(dāng)信號(hào)Vrms<14Vmax]]>增大放大倍數(shù)(這個(gè)限定值可以變化)本發(fā)明設(shè)計(jì)的渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可適用于大管徑、大流量、高溫介質(zhì)工況的質(zhì)量流量測(cè)量，尤其能適用于氣液兩相流工況的質(zhì)量流量測(cè)量，測(cè)量的工況溫度可達(dá)450℃，而且測(cè)量精度高，儀器體積小，使用操作方便。


圖1為傳統(tǒng)渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器原理框圖。
圖2為本發(fā)明渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器原理框圖。
圖3和圖4是兩個(gè)渦街脈沖信號(hào)和經(jīng)處理后輸出波形對(duì)比圖形。
圖中標(biāo)號(hào)1為渦街傳感器，2為前置放大器，3為A/d轉(zhuǎn)換器，4為DSP放大器，5為壓力傳感器，6為溫度傳感器，7為A/d轉(zhuǎn)換器，8為A/d轉(zhuǎn)換器，9為CPU，10為顯示器，11為D/A轉(zhuǎn)換器，12為脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器，13為通訊控制器。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖2所示，在實(shí)際電路中，各個(gè)組成部件的設(shè)計(jì)和要求如下渦街傳感器1采用壓電晶體，其靈敏度高，穩(wěn)定性好，有低溫型、中溫型、高溫型，高溫型可達(dá)300度以上?？筛鶕?jù)實(shí)際要求選用。
前置放大器2采用FET輸入型高增益放大器(如LF441)，把渦街傳感器的震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。其輸入阻抗高，溫度飄移小，功耗小。需+-電源供電。放大器輸出需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行限位，防止A/D轉(zhuǎn)換器采樣超出量程。
高速A/d轉(zhuǎn)換3采樣帶寬達(dá)14K以上，數(shù)據(jù)為24位，放大倍數(shù)可設(shè)定。自動(dòng)調(diào)零。
DSP放大器4對(duì)高速A/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到瞬時(shí)有效值、平均值、最大值等數(shù)據(jù)。具體可采用AD7753，最大為32，可用CPU對(duì)其進(jìn)行修改。
壓力傳感器5采用蒸汽壓力檢測(cè)用傳感器。輸出0-50電壓信號(hào)。用以補(bǔ)償蒸汽壓力對(duì)密度的影響。
溫度傳感器6采用熱電阻。補(bǔ)償蒸汽溫度對(duì)密度的影響。
A/d轉(zhuǎn)換器7和8為16位A/d轉(zhuǎn)換，采樣溫度、壓力信號(hào)，精度達(dá)0.2％以上。
顯示器10可采用LCD，顯示溫度、壓力、流量、累計(jì)值等。
D/A轉(zhuǎn)換器11輸出電流4～20毫安，輸出補(bǔ)償后瞬時(shí)流量，采用16位D/A芯片，精度達(dá)0.2％以上。
脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器12輸出補(bǔ)償后瞬時(shí)流量方波信號(hào)，通訊控制器13采用RS485現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式，用屏蔽雙絞線。
CPU9是系統(tǒng)的核心，可采用ATMEL公司的89C51ED2，工作頻率為40M，內(nèi)部有2K內(nèi)存，可以用作存放紀(jì)錄時(shí)間、延遲時(shí)間、放大倍數(shù)、渦街的實(shí)時(shí)工作頻率等。它接收三個(gè)輸入信號(hào)，溫度、壓力、渦街脈沖數(shù)據(jù)(模擬采樣數(shù)據(jù))。主要對(duì)渦街脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算渦街脈沖的頻率，然后根據(jù)儀表系數(shù)得到補(bǔ)償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計(jì)算出密度；，最后計(jì)算獲得蒸汽的質(zhì)量流量。CPU定時(shí)把補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量以電流(4～20毫安)和方波信號(hào)的方式輸出。
使用本發(fā)明實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)圖3和圖4所示。圖3、圖4中上半部分是渦街脈沖的信號(hào)，下半部分是CPU計(jì)算分析處理后得到的波形。從圖中可以看到渦街信號(hào)受到干擾后疊加了高頻干擾信號(hào)，信號(hào)的幅度也會(huì)有大小變化。渦街脈沖的信號(hào)經(jīng)放大、DSP、CPU處理后，不但提高了測(cè)量范圍，而且對(duì)(特別是中小信號(hào))信號(hào)中疊加的干擾處理能力大大提高。
由于流量的渦街脈沖的信號(hào)的特點(diǎn)是測(cè)量范圍(頻率變化范圍)大，但信號(hào)的強(qiáng)度與流量成平方關(guān)系，在流量低時(shí)渦街脈沖的信號(hào)強(qiáng)度很低，在流量高時(shí)信號(hào)很強(qiáng)，容易超出測(cè)量量程。這就決定了普通放大器在低流量時(shí)往往不能監(jiān)測(cè)到渦街脈沖信號(hào)(放大倍數(shù)不夠)；監(jiān)測(cè)到的信號(hào)又往往帶有一定的干擾信號(hào)(環(huán)境的振動(dòng))。這些干擾信號(hào)在流量高、信號(hào)強(qiáng)時(shí)相對(duì)較小，但在流量低、信號(hào)弱時(shí)就難以處理。特別在比較器設(shè)定值附近運(yùn)行時(shí)。采用本發(fā)明，獲得完整的一個(gè)數(shù)據(jù)波形，這些波形序列數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，與原來的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算，在獲得完整波形后在輸出信號(hào)。
渦街信號(hào)波形的頻率一般為幾十赫茲到幾K.赫茲，所以CPU能根據(jù)采集到的信號(hào)大小改變放大倍數(shù)(幾十個(gè)us；具體根據(jù)CPU型號(hào)和晶體振蕩器決定)也不會(huì)影響整個(gè)測(cè)量波形。
權(quán)利要求
1.一種渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉(zhuǎn)換器、DSP放大器、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通訊控制器經(jīng)電路連接組成；其中，渦街傳感器將采樣到的信號(hào)經(jīng)過前置放大器，轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)進(jìn)入高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)入DSP放大器放大，最后進(jìn)入CPU；壓力傳感器和溫度傳感器分別將采樣到的流體的壓力和溫度信號(hào)送入A/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)入CPU；CPU將接收到的溫度、壓力、渦街脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中，根據(jù)渦街脈沖數(shù)據(jù)計(jì)算渦街脈沖的頻率，根據(jù)儀表系數(shù)計(jì)算得到補(bǔ)償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計(jì)算出密度，最后計(jì)算得到流體的質(zhì)量流量；CPU分3路輸出一路連顯示器，顯示器顯示溫度、壓力、流量、累計(jì)值等；一路連接A/D轉(zhuǎn)換器，以電流形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量；另一路連接脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器，以方波形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量；通訊控制與CPU連接。
全文摘要
本發(fā)明屬流量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種渦街流量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器。它由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉(zhuǎn)換器、DSP放大器、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通位控制器等經(jīng)電路連接構(gòu)成。渦街傳感器將采樣信號(hào)經(jīng)過二次放大后進(jìn)入CPU，CPU將接收到的流體溫度、壓力和渦街脈沖數(shù)進(jìn)行處理，將結(jié)果分3路輸出(1)顯示器，顯示溫度、壓力、流量等值；(2)A/D轉(zhuǎn)換器，以電流形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量；(3)脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器，以方波形式輸出補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量。本發(fā)明測(cè)量精度高，體積小，使用操作方便。
文檔編號(hào)G01F1/76GK1687715SQ20051002640
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者葉傳良, 宋若梅, 李永光 申請(qǐng)人:上?？ㄖZ節(jié)能環(huán)境工程有限公司