1 涡街流量计的测量原理及信号处理方法

    1.1 涡街流量计的测量原理

    涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中的卡曼涡街原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线型柱形体，称之为旋涡发生体。当流体沿旋涡发生体绕流时，会在旋涡发生体下游产生2列不对称但有规律的交替旋涡列，即卡曼涡街[1-2]。大量试验证明，在一定雷诺数范围内，稳定的涡街频率f与流经旋涡发生体两侧的平均流速v1的关系可表示为

    

    式中St——斯特劳哈尔数，对于一定形状的旋涡发生体在一定雷诺数范围内为无量纲常数；

    d——旋涡发生体迎流面的宽度，m；

    v——管道内的平均流速，m/s；

    m——旋涡发生体两侧弓形流通面积之和与管道的横截面积之比；

    D——管道内径，m。

    交替作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率，通过压电探头对升力变化频率的检测，即可得到f，再由式（3）和式（4）可分别求得体积流量q_v和流量计的仪表系数K。

       （3）

      （4）    

    由式（3）和式（4）可以看出，利用涡街流量计测量流体的体积流量，主要是通过测量涡街频率f来实现的。而涡街频率f只与流速和发生体的几何参数（形状和几何尺寸）有关，与被测流体的特性和组分无关[1-7]。

    1.2 信号处理方法

    由于煤矿生产环境干扰多，振动大，采用的传感器为三线共地型压电探头，其输出信号分为2路，一路是包含涡街信号和振动信号的复合信号，另一路是振动信号。在有振动的工作环境下，压电探头复合检测压电元件输出信号s₁和振动检测压电元件输出信号s₂分别为：s₁=x_v+x_p+n₁； s₂=x_p+n₂。其中：x_v，x_p，n₁，_n2分别表示涡街信号，振动信号，复合检测探头，振动检测探头受到的随机干扰信号。

    为了将真实的涡街信号x_v检测出来，使用差分陷波原理[5-6]对输出的信号进行分析处理。首先把三线共地型压电探头输出的2组信号均转换到频域，并由傅里叶变换的叠加性质可得 

    

    式中：S₁（ω），S₂（ω），X_v（ω），X_p（ω），N₁（ω），N₂（ω）分别表示s₁，s₂，x_v，x_p，n₁，n₂相应的傅里叶变换结果。由于最终目的是为了得到频率成分，而通过频谱分析法可反映出信号含有的各种频率成分。又知陷波滤波器功能是滤去一定范围的频率干扰，在滤波过程中基本不改变其他频率成分，正好符合所研究信号的特征[8]。因此，将S₂（ω）幅值谱作为陷波器从S₁（ω）幅值谱中滤除，根据三线共地型压电探头输出信号的数学模型，可知所得的差谱ΔS（ω）中能量最大的频率成分就是真实涡街频率。

    2 涡街流量计硬件结构的总体设计

    涡街流量计硬件结构框图如图1所示。可以分为以下几个部分：检测复合信号和振动信号的三线共地型压电探头传感器以及后续处理电路；为系统各模块提供电源的电源电路；温度、压力传感器的温度、压力检测电路及后续调理电路；用于上、下位机通信的SCI通信模块电路；用于各种现场实时参数显示的液晶显示电路；用于各种掉电数据保存的铁电存储器FRAM电路；用于掉电时间计算的DS1302时间电路；用于现场用户翻页选择的按键输入电路以及脉冲输出电路。    

图1 涡街流量计硬件结构框图

    3 试验结果及数据分析

    因试验条件限制，涡街流量计在50口径管路、上限为100m³/h标准表进行有振动和无振动情况下的标定，得出表1和表2的数据，仪表系数随定点流量在有无振动下的变化曲线如图2所示。

    

图2 仪表系数随定点流量在有无振动下的变化曲线

    在无振动情况下得出在较大的雷诺数范围内该表的仪表系数稳定，量程为0.778~6.756m/s，线性度为1.43%，符合国家标准。外加振动对该表的仪表系数影响较小，起到较好的抗振效果，适合在煤矿生产中使用。