基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究毕业设计.docx
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基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究毕业设计
基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究毕业设计
附录259
附录480
第1章绪论
1.1课题背景
在我们周围存在着空气、水等多种与人们的生产、生活密不可分的流体。
我们在对这些流体的使用过程中,通常需要对这些流体的性质和数量有一定的了解。
在工业技术快速发展的当今时代,待测流体的种类更加趋于多样化,同时对流量测量的精度也有了更高的要求[1]。
差压式流量计理论基础被公认为流量测量的里程碑,它是托里拆利于17世纪奠定的。
多种流量测量的仪表雏形也于18、19世纪逐步开始形成,但仪表的迅速发展得益于20世纪各种行业、各种新兴产业对测量需要及测量要求的提高。
微电子和计算机技术发展迅猛对仪表的推陈出新起到了极大的推动作用,新型流量计不胜枚举。
迄今为止,可在市场上找到的流量计种类已达一百余种,很多技术难题正在逐步被攻破。
作为近代流量测量技术起步较晚的国家之一,我国早期流量计完全依赖国外进口。
涡街流量计自上世纪80年代中期以后得以较快发展,是新型流量计中的中坚力量。
我国非常重视对涡街流量计的使用与研究,已具备独立自主研发与生产的能力。
涡街流量计是根据流体振动原理设计而成的,检测方式也经历了从最开始的热丝式、热敏式到现在的应力式、超声波式等多个发展阶段。
只要有旋涡列形成的场合均可使用涡街流量计进行测量,使用场地不再局限于封闭管道,开放的沟槽中也可以使用。
在众多种类的流量计中涡街流量计在测量精度、压损、测量范围、可靠性、使用维护等方面均有良好表现,因而得到了广大使用者的认可和接受。
涡街流量计也存在着一些限制其发展的缺点和不足。
传统的涡街流量计信号处理方式只有放大、滤波、整形和脉冲计数几个环节,要想在所有信号中保留有用信号滤除有害信号是非常困难的,必然造成测量结果精度差;仅仅采用数字信号处理器DSP,又会面临
因DSP功能不够强大,无法同时完成大量计算和控制外围电路的任务,从而造成系统实时性差的问题。
随着微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展,传统的仪表常规逻辑电子线路必将被微型计算机(单片机和嵌入式系统)所取代,一种新型的智能仪表必将成为仪表开发领域的新趋势。
1.2流量计的国内外发展现状
1.2.1国内研究现状
国内的许多专家学者在涡街的数字信号处理方面也做了大量深入的研究,解决了涡街流量计应用中的存在的一些问题。
上海理工大学医疗器械学院的林敏,在研究非整周期采样对频谱分析的影响的基础上,把基于FFT的周期图谱法和基于Burg的最大熵谱法两种算法进行比较,最终选用FFT谱分析法对实际涡街流量信号进行分析处理,指出:
在低流速时,涡街信号和噪声几乎叠加在一起,甚至噪声的幅值还大于涡街信号的幅值,此时,用功率谱分析的方法处理涡街流量信号时,得到噪声的频谱峰值很有可能高于涡街信号频谱峰值,这种情况下,就可能导致将噪声频率误认为是涡街信号频率。
由此得出结论:
单纯的用频谱分析的方法很难扩展涡街流量计在低流速时的量程下限[2]。
上海大学的陈洁等人从非整周期采样、分辨率、采样点数等方面的研究出发,分析了用FFT谱分析法处理涡街流量信号的问题,同样指出,在测量低流速流量时,FFT具有一定优越性,但是在更低流速时,要提取涡街信号的频率还是有一定困难的。
所以当涡街信号和噪声重叠部分非常小或者完全分开的情况下,可以选用这种方法[3]。
浙江大学的张宏建等提出了可以实时实现的两种方法,一是采用基于频谱分析的新DFT递推方法[4],DFT采一点计算一点,可以及时计算出结果,同时减少了计算量;二是采用简单整系数数字滤波方法,采用整系数法减少了计算量,便于实时实现[5],同时数字滤波法提高频率估计精度。
中国科技大学的黄丹、周康源等人将小波变换法应用于涡街流量信号处理,利用Mallat算法对涡街流量信号进行多分辨率分析,去除信号中所含的噪声,成功研制了基于MSP430的涡街信号处理系统[6]。
系统虽然提高了涡街信号测量精度,但是没有对涡街信号的幅度变化范围较大的问题进行深入研究。
合肥工业大学自动化研究所是国内研究流量计比较早的研究所,他们所
采用的数字信号处理算法有:
基于FFT的经典谱分析法、基于Burg算法的现代谱估计法、自适应陷波法、小波分析法、自适应滤波法等等。
基于FFT的经典谱分析方法直接用傅里叶变换计算有限序列的功率谱,求出信号频率,这种方法对谐波的抑制能力强,但在非整周期采样时,会有较大的泄露误差,因此还要采用频谱校正的方法来提高测量精度;基于Burg算法的现代谱估计法,利用最大熵谱,可提高分辨率[7-9];用自适应滤波方法也取得了较好的效果,但不足之处是就是采样点数多,计算时间长,实时性差。
在大量研究的基础上,他们还成功的研制出以数字信号处理芯片(DSP)为核心的涡街信号处理系统。
而且他们的研究受到国内外同行的密切关注,推动了涡街流量计向更高的层次发展。
总的来说,在涡街信号处理技术方面,国内还处在研发阶段,还有待进一步研究,随着数字信号处理技术在涡街流量计中的应用的不断深入,困扰涡街流量计进一步发展的问题都将得到更好的解决,在工程化方面还有待更广泛的验证与应用。
1.2.2国外研究现状
世界上最早生产涡街流量计的是日本的Yokagawa公司,它于1968年生产出第一台涡街流量计。
Yokagawa公司在涡街流量计的研究上一直处于领先地位。
它采用频谱分析的数字信号处理方法,以微处理器为核心研制了数字式涡街流量计(YEWELO)。
根据信号频谱,结合最佳噪声比搜索算法,设置带通滤波器的参数,有效的滤除了噪声,提高了测量精度。
Rosemount公司以其自己开发的数字跟踪滤波器专用芯片为核心,设计了涡街流量计数字信号处理系统。
数字跟踪滤波器专用芯片是由一系列截止频率不同的高通、低通滤波器组成,它能根据涡街信号的特点,选择合适的滤波器,提高了测量的可靠性和准确度[10-11]。
Foxboro公司采用自适应滤波技术处理流量信号。
涡街传感器输出信号首先通过带通滤波器,该带通滤波器的截止频率可以根据涡街信号的频率动态调整。
当涡街信号频率变化较小时,滤波器的截止频率设置为跟踪信号的变化频率;当涡街信号频率变化较大时,设置为搜索频率模式,重新检测涡
信号的频率,这样滤波器跟踪到的总是涡街信号的频率[12-13]。
日本横河公司在信号处理上采用了与Yokagawa公司相同的频谱分析处理技术,但在结构采用了抗振设计,即把两个压电晶体放置在以振动零弯矩点为中心的对称位置上,就可以减小振动噪声对涡街信号的干扰[14]。
1.3压电式流量计的优缺点
一次和二次装置是压差式流量计的主要构成部分。
所谓一次装置指流量测量元件,经常使用的有节流装置和皮托管、均速管等动压测定装置,这些装置在被测流体管道中安装后,产生的压力差与流量成一定比例,此压力差是二次装置后进行相应转化显示流量的数据基础。
二次装置包含各种形式的压差计与显示仪表,产生于测量元件上的压差信号传送到压差计后,会被转化为对应流量在显示仪表中输出。
流量显示仪表均包含开平方装置以转化差压和流量间的平方根关系。
为便于经济核算,很大一部分仪表还具有累计流量计算功能。
压差式流量测量是一种发展较早、技术成熟的方法,现阶段世界各国对于压差式流量计的使用都十分普遍。
压差式流量计优点:
1)构成稳固,使用稳定,寿命较长;
2)所有流量计中使用量最大的一种;
3)所含器件不产自一个生产厂家,有利于规模化经济生产。
缺点:
1)对于上游直管段的要求涡街流量计是一种典型的速度式流量计,旋涡分离的稳定性受发生体上游流场畸变、旋涡流等影响,所以安装仪表应根据上游阻流件的不同形式,配置不同长度的上下游直管段;
2)管道与环境的振动对检测元件和测量效果有影响涡街流量计是流体振动流量计,当工作管道振动较强,且振动方向与发生体相垂直,振动频率与旋涡频率相同或相近时,对旋涡稳定分离就会产生影响;
3)下限流量不能太低涡街流量计的下限流量受到雷诺数和检测元件灵敏度两个条件的制约。
大多数的涡街流量计的下限雷诺数为(1-2)×10,只有当仪表工作在下限雷诺数以上的区域时,才能保证进入平直段,仪表才能进入线性工作区域。
同时由于旋涡的强度与流速平方成正比,所以在量程下限的低速区,旋涡信号非常微弱,能否有效的检测到旋涡信号就取决于检测元件的灵敏度。
受到以上两个因素的制约,涡街流量计的下限流速不能太低。
一般情况下,液体的流速下限为0.3-0.5m/s,气体的下限流速为3-5m/s;
4)不宜测量混相流和脉动流混相流和脉动流对涡街流量计的影响还缺少理论和实践经验,仍处于探索阶段,尚未进入实用;
5)抗脏污能力较差流体中的固体、杂物的冲击会损害压电晶体等元件。
应用概况:
差压式流量计是应用范围最广、使用量最大的流量计,可应用于封闭管道各种对象的流量测量。
在流体状态、工作状态、管径要求、流动条件等几个方面均有很强的适应性。
差压式流量计在工业部门的使用则更为普遍,全部流量计使用总量的1/4~1/3份额被压差式流量所占据。
1.4研究目的及意义
计量是工业生产的眼睛。
流量计量是计量科学技术的重要组成部分,它与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系。
工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域,流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数,人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。
对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
在能源计量中,使用了大量的流量计,例如石油工业,从石油开采、储运、炼制直到贸易销售,任何一个环节都离不开流量计。
在天然气工业蓬勃发展的现在,天然气的计量引起了人们的特别关注,因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中,需要数以百万计的流量计,其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大,对测量准确度和可靠性要求特别高。
除此之外,在煤气、成品油、液化石油气、蒸汽、压缩空气、氧气、氮气、水的计量中,也要使用大量的流量计,其中很大一部分用于贸易结算,计量准确度需满足国家的有关标准,这对流量测量提出了很高的要求。
只有做到准确测量,才能做到节能有数,耗能有据在环境保护领域,流量测量仪表也扮演着重要角色。
人们为了控制大气污染,必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测;废液和污水的排放,使地表水源和地下水源受到污染,人们必须对废液和污水进行处理,对排放量进行控制。
于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。
在科学试验领域,种类繁多的流量计提供了大量的实验数据。
这一领域中使用的流量计特殊性更多,其中流体的高温、高压、高豁度以及变组分、脉动流和微小流量等都是经常要面对的测量对象。
流量测量是一门复杂、多样的技术。
人们对测量精确度的要求越来越高,而且测量对象复杂多样。
如流体种类有气体、液体、混相流体,流体工况有从高温到低温的温度范围,从高压到低压的压力范围,既有低薪度的液体,也有豁度非常高的液体,而流量范围更是悬殊,微小流量只有每小时数毫升,而大流量可能每秒就达数万立方米。
而沙脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。
另一方面,这种复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用研究。
现阶段,流量检测的研究虽然取得了一定成绩,但该领域仍有许多问题亟待研究、亟待解决。
热工和其它现代工业发展的迫切需求要求国内外科研工作者积极投入到该领域的研究工作中去,加快发展步伐,提高技术水平,让它更好地为生产、生活服务,流量检测技术的进步对促进工业发展和经济进步具有重要意义。
第2章涡街流量计的工作原理及检测方法
2.1涡街流量计的工作原理
2.1.1压电传感器的原理
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就会产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当
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