專利名稱：一種渦街流量傳感信號轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬流量檢測技術領域，具體為一種渦街流量傳感信號轉換器。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，人類逐步進入了信息社會，信息工業(yè)已顯示出其強大的生命力。信息工業(yè)有三大支柱，檢測技術、通訊技術和計算機技術，這三者缺一不可。與通訊和計算機技術相比，檢測技術仍處于落后狀態(tài)。從信息論的觀點來看，檢測技術是獲得、轉化各種信息的主要技術，是進行信息傳遞的基礎?？梢韵胂?，如果最初獲取的信息不可靠，即使后續(xù)處理技術再先進，所得到的結果也是毫無意義的。所以大力發(fā)展檢測技術勢在必行。而作為檢測技術的重要組成部分，流量檢測技術占有重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，在大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中，流量這一過程參數(shù)占所檢測參數(shù)的30％～40％。就目前投入工業(yè)應用的流量計來看，大部分為體積流量計。即測量的是單位時間內流體流過的體積。而在生產實際中，如工業(yè)生產的配比和品質控制、物料和能量平衡以及貿易儲運等方面，往往需要知道流體的質量流量。經過幾十年的努力，人們開發(fā)了有工業(yè)實用價值的質量流量計。隨著質量流量儀表進入工業(yè)實用階段，石油、化工、食品、能源等部門紛紛選用質量流量儀表，以提高生產效率和經濟效益。例如一臺直接式質量流量計可以分別測量進入配比反應器的多種流體，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，以質量流量計量比目前的體積流量計量更合理。
就整個流量儀表發(fā)展狀況來看，氣體的流量測量問題還遠未解決，特別是氣體質量流量的測量更急需發(fā)展。尤其是大管徑、大流量、高溫介質的質量流量測量，以及帶有兩相流的雙參數(shù)測量等均是非常急需而又沒有很好解決的問題。
利用渦街方式測量氣體質量流量是目前研究的熱點之一[1，2，3]，其原因是渦街流量計具有量程比高，壓力損失小，精度高等優(yōu)點，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測量體積流量，然后測量渦街前后的壓差，經過換算得出工質的質量流量。這種方法的缺點是，渦街前后的壓差較小，使得壓差讀數(shù)很小，而測量系統(tǒng)的結構龐大，原因是渦街流量計前后要求一定的直管段，壓差測點之間的距離必須大于這個直管段，一般情況下前后直管段長度為15倍的管徑，所以這套測量系統(tǒng)必定很大。如遇到較大的管徑，受場地的限制，測量可能無法進行。(2)利用渦街流量計加溫度壓力補償?shù)姆椒y量質量流量，這種方法的缺點與前一種方法類似，結構龐大，需有15倍左右的直管段要求，一般需兩個測量儀表，也不能適應兩相流工況。(3)除利用渦街發(fā)生體外，還在渦街發(fā)生體內部設計了一個可動部件[3]，這個部件會隨旋渦脫落壓力的變化而移動，利用這個移動量反映流體壓力的大小，這種方法是結構緊湊，但由于內部的可移動部件使得結構復雜，且移動部件對壓力的響應有一定的誤差，因此，測量精度也會受到影響，不能適應兩相流工況。目前市場上還未見有結構緊湊的一體化渦街式可用于兩相流的高溫質量流量測量裝置。
參考文獻1.姜仲霞，劉桂芳，蔡孝國，張川潮，差壓型渦街質量流量計，實用新型專利，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量氣液兩相流流量與組分的研究，上海理工大學博士后研究工作報告，1997。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種測量精度高、結構體積小的，可適用于大管徑、大流量、高溫介質及氣液兩相流工況的渦街流量傳感信號轉換器。
傳統(tǒng)的渦街流量傳感信號轉換電路如圖1所示，這種系統(tǒng)對在小流量的情況下抗干擾信號的能力不是很理想。本發(fā)明設計了一套新的渦街流量傳感信號轉換器電路，如圖2所示。它由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉換器、DSP放大器(可變信號放大器)、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通訊控制器經電路連接組成。其中，渦街傳感器將采樣到的信號經過前置放大器，轉為電壓信號；該電壓信號進入高速A/D轉換器，轉換為數(shù)字信號，再進入DSP放大器放大，最后進入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送入A/d轉換器，轉換為數(shù)字信號，然后進入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))進行處理，其中，根據(jù)渦街脈沖數(shù)據(jù)計算渦街脈沖的頻率，根據(jù)儀表系數(shù)，計算得到補償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計算出密度，最后計算得到流體的質量流量；CPU分3路輸出一路連顯示器，顯示器顯示溫度、壓力、流量、累計值等；一路連接A/D轉換器，以電流形式輸出補償后的瞬時流量；另一路連接脈沖輸出驅動器，以方波形式輸出補償后的瞬時流量；通訊控制與CPU連接，采用現(xiàn)場總線通信方式，采用屏蔽雙絞線。
本發(fā)明中，1采樣信號采用二級放大，即前置信號放大器+可變信號放大器(K)(DSP放大器)，以滿足流量信號動態(tài)范圍變化大的特點。
2對渦街的渦街波形信號Vi，同時獲得采樣值Vi和有效值Vrms=1nΣi=1nVi2]]>其中n為高速A/d采樣速度，Vi為電壓波形瞬時信號，是A/d采樣實時信號。Vrms有效值為DSP計算輸出。
3為得到穩(wěn)定的有效信號，選用適當?shù)谋戎?，就可以有效濾掉原渦街信號中漩渦信號所含的隨機干擾，特別有利于對小信號的處理，避免在小信號切除點附近脈沖信號輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象。為此，還需要對波形作延時處理，延遲時間τ取前周期的 t時間t=1m-nΣi=nmTi]]>4、CPU定時的把采樣的電壓Vi與 的Vrms進行比較，(在時間τ內有效)把每次Vi超越時間紀錄在內存中，再讓Vi與負 的Vrms進行比較，(在時間τ內有效)把每次Vi超越時間(系統(tǒng)內部的工作時間)紀錄在內存序列中，……。Vi在 的Vrms～ 的Vrms范圍內認為是過渡區(qū)。由此獲得渦街波形每個周期時間，平均后得到渦街的實時工作頻率。
Fi=(m-n).÷(Σi=nmTi)]]>5、可變信號放大器的放大倍數(shù)根據(jù)流量信號的大小，跟蹤調節(jié)。
信號的放大倍數(shù)為K，由CPU發(fā)出命令進行改變。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))當信號Vrms>12Vmax]]>減小放大倍數(shù)，(Vama為電壓Vi中的最大值)當信號Vrms<14Vmax]]>增大放大倍數(shù)(這個限定值可以變化)本發(fā)明設計的渦街流量傳感信號轉換器，可適用于大管徑、大流量、高溫介質工況的質量流量測量，尤其能適用于氣液兩相流工況的質量流量測量，測量的工況溫度可達450℃，而且測量精度高，儀器體積小，使用操作方便。


圖1為傳統(tǒng)渦街流量傳感信號轉換器原理框圖。
圖2為本發(fā)明渦街流量傳感信號轉換器原理框圖。
圖3和圖4是兩個渦街脈沖信號和經處理后輸出波形對比圖形。
圖中標號1為渦街傳感器，2為前置放大器，3為A/d轉換器，4為DSP放大器，5為壓力傳感器，6為溫度傳感器，7為A/d轉換器，8為A/d轉換器，9為CPU，10為顯示器，11為D/A轉換器，12為脈沖輸出驅動器，13為通訊控制器。
具體實施例方式
根據(jù)圖2所示，在實際電路中，各個組成部件的設計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300度以上?？筛鶕?jù)實際要求選用。
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信號轉為電壓信號。其輸入阻抗高，溫度飄移小，功耗小。需+-電源供電。放大器輸出需要對信號進行限位，防止A/D轉換器采樣超出量程。
高速A/d轉換3采樣帶寬達14K以上，數(shù)據(jù)為24位，放大倍數(shù)可設定。自動調零。
DSP放大器4對高速A/d轉換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、統(tǒng)計計算，得到瞬時有效值、平均值、最大值等數(shù)據(jù)。具體可采用AD7753，最大為32，可用CPU對其進行修改。
壓力傳感器5采用蒸汽壓力檢測用傳感器。輸出0-50電壓信號。用以補償蒸汽壓力對密度的影響。
溫度傳感器6采用熱電阻。補償蒸汽溫度對密度的影響。
A/d轉換器7和8為16位A/d轉換，采樣溫度、壓力信號，精度達0.2％以上。
顯示器10可采用LCD，顯示溫度、壓力、流量、累計值等。
D/A轉換器11輸出電流4～20毫安，輸出補償后瞬時流量，采用16位D/A芯片，精度達0.2％以上。
脈沖輸出驅動器12輸出補償后瞬時流量方波信號，通訊控制器13采用RS485現(xiàn)場總線通訊方式，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，內部有2K內存，可以用作存放紀錄時間、延遲時間、放大倍數(shù)、渦街的實時工作頻率等。它接收三個輸入信號，溫度、壓力、渦街脈沖數(shù)據(jù)(模擬采樣數(shù)據(jù))。主要對渦街脈沖數(shù)據(jù)進行處理，計算渦街脈沖的頻率，然后根據(jù)儀表系數(shù)得到補償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計算出密度；，最后計算獲得蒸汽的質量流量。CPU定時把補償后的瞬時流量以電流(4～20毫安)和方波信號的方式輸出。
使用本發(fā)明實測結構圖3和圖4所示。圖3、圖4中上半部分是渦街脈沖的信號，下半部分是CPU計算分析處理后得到的波形。從圖中可以看到渦街信號受到干擾后疊加了高頻干擾信號，信號的幅度也會有大小變化。渦街脈沖的信號經放大、DSP、CPU處理后，不但提高了測量范圍，而且對(特別是中小信號)信號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的特點是測量范圍(頻率變化范圍)大，但信號的強度與流量成平方關系，在流量低時渦街脈沖的信號強度很低，在流量高時信號很強，容易超出測量量程。這就決定了普通放大器在低流量時往往不能監(jiān)測到渦街脈沖信號(放大倍數(shù)不夠)；監(jiān)測到的信號又往往帶有一定的干擾信號(環(huán)境的振動)。這些干擾信號在流量高、信號強時相對較小，但在流量低、信號弱時就難以處理。特別在比較器設定值附近運行時。采用本發(fā)明，獲得完整的一個數(shù)據(jù)波形，這些波形序列數(shù)據(jù)存入內存中，與原來的波形數(shù)據(jù)進行比較計算，在獲得完整波形后在輸出信號。
渦街信號波形的頻率一般為幾十赫茲到幾K.赫茲，所以CPU能根據(jù)采集到的信號大小改變放大倍數(shù)(幾十個us；具體根據(jù)CPU型號和晶體振蕩器決定)也不會影響整個測量波形。
權利要求
1.一種渦街流量傳感信號轉換器，其特征在于由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉換器、DSP放大器、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通訊控制器經電路連接組成；其中，渦街傳感器將采樣到的信號經過前置放大器，轉為電壓信號；該電壓信號進入高速A/D轉換器，轉換為數(shù)字信號，再進入DSP放大器放大，最后進入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送入A/d轉換器，轉換為數(shù)字信號，然后進入CPU；CPU將接收到的溫度、壓力、渦街脈沖數(shù)據(jù)進行處理，其中，根據(jù)渦街脈沖數(shù)據(jù)計算渦街脈沖的頻率，根據(jù)儀表系數(shù)計算得到補償前的體積流量，再根據(jù)溫度、壓力計算出密度，最后計算得到流體的質量流量；CPU分3路輸出一路連顯示器，顯示器顯示溫度、壓力、流量、累計值等；一路連接A/D轉換器，以電流形式輸出補償后的瞬時流量；另一路連接脈沖輸出驅動器，以方波形式輸出補償后的瞬時流量；通訊控制與CPU連接。
全文摘要
本發(fā)明屬流量檢測技術領域，具體為一種渦街流量傳感信號轉換器。它由渦街傳感器、前置放大器、A/d轉換器、DSP放大器、CPU、壓力傳感器、溫度傳感器以及顯示器、通位控制器等經電路連接構成。渦街傳感器將采樣信號經過二次放大后進入CPU，CPU將接收到的流體溫度、壓力和渦街脈沖數(shù)進行處理，將結果分3路輸出(1)顯示器，顯示溫度、壓力、流量等值；(2)A/D轉換器，以電流形式輸出補償后的瞬時流量；(3)脈沖輸出驅動器，以方波形式輸出補償后的瞬時流量。本發(fā)明測量精度高，體積小，使用操作方便。
文檔編號G01F1/76GK1687715SQ20051002640
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權日2005年6月2日
發(fā)明者葉傳良, 宋若梅, 李永光 申請人:上?？ㄖZ節(jié)能環(huán)境工程有限公司