專利名稱：抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種渦街流量計(jì)。
背景技術(shù)：
渦街流量計(jì)是一種基于流體力學(xué)著名的“卡門渦街”原理的流量計(jì)量?jī)x表。其 中，應(yīng)力式渦街流量計(jì)以其響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工作溫度范圍寬、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為渦街流量計(jì)的主要產(chǎn)品類型。這種渦街流量計(jì)中，它把檢測(cè)元件受到的升 力以應(yīng)力形式作用在壓電檢測(cè)元件上，轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后 得到渦街信號(hào)。由于壓電元件靈敏度較高，當(dāng)流體管道存在周期振動(dòng)的時(shí)候，壓電探頭內(nèi) 壓電陶瓷感應(yīng)到的力除了旋渦升力還有管道振動(dòng)的力，二者變化頻率不同，又因?yàn)楣艿勒?動(dòng)的力往往大于旋渦升力，故管道周期振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量造成很大的干擾。專利 CN200920096912. 8公開(kāi)了一種三線共地型壓電探頭，該種探頭配合基于EMD陷波原理的數(shù) 字信號(hào)處理方法，能夠提高對(duì)管道振動(dòng)及各種設(shè)備引起的周期振動(dòng)干擾的抗擾性。但是，基 于EMD陷波原理的數(shù)字信號(hào)處理方法存在運(yùn)算量較大，無(wú)法推廣到儀表使用的單片機(jī)DSP 等微處理器的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種適用于從含有周期振動(dòng)信號(hào)及真實(shí)渦 街信號(hào)的復(fù)合信號(hào)中提取出真實(shí)的渦街信號(hào)的抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路。本發(fā)明的 抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路采用以下技術(shù)方案一種抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路，包括兩個(gè)電荷放大器、兩個(gè)的電壓放大器、 減法/跟隨器切換電路、波形轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)，其中，復(fù)合信道電壓信號(hào)和振動(dòng)信道電壓 信號(hào)分別經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后，再經(jīng)過(guò)增益可調(diào)的兩個(gè)電壓放大器的被送入減法/跟隨 器切換電路的兩個(gè)輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電壓放大器的增益使兩個(gè)電壓放大器輸出的振動(dòng) 分量幅值相等，由減法/跟隨器切換電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換后得到的方波信號(hào)被送 入單片機(jī)；其中的減法/跟隨器包括一個(gè)的正向輸入端接經(jīng)過(guò)處理的復(fù)合信道電壓信號(hào)， 負(fù)向輸入端接經(jīng)過(guò)處理的振動(dòng)信道電壓信號(hào)的運(yùn)算放大器，在減法/跟隨器的輸出端輸出 的信號(hào)被送入單片機(jī)；當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的電壓幅值不超過(guò)運(yùn)算放大器的飽和電壓時(shí)，通過(guò) 單片機(jī)輸出的控制信號(hào)使經(jīng)過(guò)處理的振動(dòng)信道電壓信號(hào)連接到減法/跟隨器的負(fù)向輸入 端，從而使減法/跟隨器工作在減法器狀態(tài)，否則，通過(guò)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)使振動(dòng)信道 電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波后再連接到減法/跟隨器的負(fù)向輸入端，從而使減法/跟隨器工 作在跟隨器狀態(tài)，由減法/跟隨器切換電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換電路處理成方波信號(hào) 后被送入單片機(jī)。作為優(yōu)選實(shí)施方式，其中的波形轉(zhuǎn)換電路包括依次連接的限幅濾波電路，施密特 觸發(fā)器電路，電壓比較電路。本發(fā)明提出的抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路，通過(guò)模擬信號(hào)處理方法從含有周期振動(dòng)信號(hào)及真實(shí)渦街信號(hào)的復(fù)合信號(hào)中提取出真實(shí)的渦街信號(hào)，該種方法簡(jiǎn)單可靠，大 大降低了后續(xù)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算量，有效地提高對(duì)管道振動(dòng)及各種設(shè)備引起的周期振動(dòng)干擾 的抗擾性。


圖1本發(fā)明實(shí)施例采用的渦街探頭。圖2本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)總框圖。圖3本發(fā)明的電荷放大器1電路原理圖。圖4本發(fā)明的電荷放大器2電路原理圖。圖5本發(fā)明的減法/跟隨器電路原理圖。圖6本發(fā)明的濾波限幅器電路原理圖。圖7本發(fā)明的復(fù)合信道電壓信號(hào)s/的波形圖。圖8本發(fā)明的振動(dòng)信道電壓信號(hào)的波形圖。圖9本發(fā)明的減法跟隨器輸出信號(hào)Sv的波形圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例采用的三線共地型探頭如圖1所示。探頭內(nèi)部采用了長(zhǎng)條形壓電陶 瓷片(稱為壓電元件)，把四片條形壓電元件以探頭固定點(diǎn)為界分為渦街檢測(cè)和振動(dòng)檢測(cè) 兩組，渦街檢測(cè)由壓電元件1、2組成，振動(dòng)檢測(cè)由壓電元件3、4組成，每組兩壓電片對(duì)稱放 置在中性軸的兩側(cè)，其整體垂直地放入檢測(cè)元件的圓柱形腔體內(nèi)。中性軸由不銹鋼材料導(dǎo) 體制成，引出端線設(shè)為ο，渦街檢測(cè)和振動(dòng)檢測(cè)兩組壓電元件分別將其外側(cè)相連并各自引出 端線a、b，如圖5所示。然后用封裝材料將所有壓電元件固定，就構(gòu)成了渦街與振動(dòng)信號(hào)同 時(shí)檢測(cè)的“三線共地型”(a、o、b三線，共用0線)壓電探頭結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)總框圖如圖2所示，電路包括兩路電荷放大器模擬電路，兩路 電壓放大器模擬電路，單片機(jī)控制的減法/跟隨器電路，波形轉(zhuǎn)換電路(包括限幅濾波電 路，施密特觸發(fā)器電路和電壓比較電路)以及為上述電路提供電壓基準(zhǔn)的電壓參考電路。首先，將三線共地型探頭輸出的復(fù)合信道電荷信號(hào)和振動(dòng)信道電荷信號(hào)分兩路使 用電荷放大器模擬電路進(jìn)行電荷放大得到正弦電壓信號(hào)S1和S2。然后將S1和&分別使用 電壓放大器模擬電路進(jìn)行電壓放大得到S/，并通過(guò)調(diào)節(jié)兩路電壓放大器的放大倍 數(shù)，使S1'的振動(dòng)信號(hào)分量幅值相等。在整個(gè)流量測(cè)量范圍內(nèi)，作用在旋渦發(fā)生體
每單位長(zhǎng)度上的升力為&由計(jì)算公式巧= Ici-2得出結(jié)論升力大小只與流體密度，渦
街發(fā)生體尺寸，介質(zhì)流速有關(guān)，而壓電探頭輸出的信號(hào)與升力大小正比。對(duì)于同一管道，周 期震動(dòng)信號(hào)的頻率和幅值在一定范圍內(nèi)是不變的，渦街信號(hào)的頻率和幅值隨著管道內(nèi)流量 的增加而增加，故當(dāng)管道周期振動(dòng)干擾加速度大小不變時(shí)，隨著流速的增大，信噪比逐漸增 加。對(duì)于某一固定口徑的管道通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以確定臨界測(cè)量流量值，通過(guò) 單片機(jī)來(lái)控制“減法/跟隨器”的工作狀態(tài)，當(dāng)S1 ‘的渦街分量幅值未達(dá)到運(yùn)算放大器的輸 出上限時(shí)，設(shè)置減法/跟隨器工作在減法器狀態(tài)，S1'與S2'通過(guò)減法器相減，使周期振動(dòng) 信號(hào)相互抵消。減法/跟隨器輸出真實(shí)的渦街正弦電壓信號(hào)Sv。當(dāng)S1'的渦街分量幅值達(dá) 到運(yùn)算放大器的輸出上限時(shí)設(shè)置減法跟隨器工作在跟隨器狀態(tài)，對(duì)S1'進(jìn)行電壓跟隨，由于此時(shí)渦街信號(hào)很強(qiáng)，信噪比較高，也認(rèn)為減法/跟隨器輸出真實(shí)的渦街正弦電壓信號(hào)sv。 Sv通過(guò)限幅濾波電路和施密特觸發(fā)電路，最終得到真實(shí)的渦街脈沖電壓信號(hào)。下面對(duì)本發(fā)明的信號(hào)處理方法進(jìn)行詳述。由三線共地型壓電探頭輸出信號(hào)為兩路電荷信號(hào)
k復(fù)合信道電荷信號(hào)Xv(0 = Av+ φν) + ^Α1 sm(2mfpt + 釣)+ σν(t)
i=l振動(dòng)信道電荷信號(hào)x々) =告sin(2辦+ ++釣)+ σ力)Av，fv，9,表示渦街信號(hào)的幅值，頻率，相位，&表示振動(dòng)信號(hào)的基頻，Ai, φ,表示管 道振動(dòng)基頻的i倍頻的幅值、相位，ο ν、ο p分別表示隨機(jī)噪聲信號(hào)，N為渦街分量的幅值參 數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，C為振動(dòng)分量的幅值參數(shù)，其值約等于1。復(fù)合信道電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)由U3A、R6、R7、R8、C6、C7、C8、C9構(gòu)成的電荷放大器1(圖 3)放大，振動(dòng)信道電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)由U5D, R12、R13、R14、Cll、C12、C13、C14構(gòu)成電荷放大器 2(圖4)放大得到正弦電壓信號(hào)S1和S2 復(fù)合信道電壓信號(hào)Sl = xv+xp+ni振動(dòng)信道電壓信號(hào):s2=、+ Cxp +n2其中，xv別為渦街信號(hào)，Xp為振動(dòng)信號(hào)，叫、n2表示復(fù)合檢測(cè)元件和振動(dòng)檢測(cè)元件 受到的隨機(jī)干擾信號(hào)。復(fù)合信道電壓信號(hào)S1經(jīng)過(guò)由電壓放大器1放大，振動(dòng)信道電壓信號(hào)&經(jīng)過(guò)由電壓 放大器2放大，得到電壓信號(hào)s/，調(diào)節(jié)W3、W5使s/的振動(dòng)分量幅值相等， 信號(hào)s/如下所示復(fù)合信道電壓信號(hào)s/ = Axv+Axp+Ani (圖7)振動(dòng)信道電壓信號(hào)W=B^BCxp +Bn2 (圖8)其中，=BGcp;U4A為電壓跟隨器1 ；U5A為電壓跟隨器2 ；起到信號(hào)隔離的作用。U5B、R33、R34、R35、R36、R37、C23 構(gòu)成減法 / 跟隨器，C23 的 filter 與單片機(jī) I/ 0 口連接，由單片機(jī)控制減法/跟隨器狀態(tài)的切換。復(fù)合信道信號(hào)s/連接電阻R33，輸入 減法/跟隨器的“ + ”，振動(dòng)信道信號(hào)S2'連接電阻R37，輸入減法跟隨器的“-”。1)減法器狀態(tài)當(dāng)流量較小，渦街信號(hào)較弱時(shí)，Axv幅值不超過(guò)運(yùn)算放大器的輸出 電壓時(shí)，filter端I/O 口設(shè)置為高阻態(tài)。此時(shí)filter端相當(dāng)于斷路，電容C23沒(méi)有連入電 路，此時(shí)減法/跟隨器工作在減法器狀態(tài)，s/與S2'相減。輸出信號(hào)為八=04-|:)xv+Anl -萬(wàn)《2 (圖 9)。
B因?yàn)锳 = BC，C 1，N>> 1，故J-ya 1，又隨機(jī)干擾信號(hào)Ii1, n2忽略不計(jì)，故Sv 為真實(shí)的正弦渦街信號(hào)。2)跟隨器狀態(tài)當(dāng)流量較大，渦街信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，Axv幅值超過(guò)運(yùn)算放大器的輸出電 壓時(shí)，正弦信號(hào)飽和。此時(shí)設(shè)置“濾波選擇”端所連接的單片機(jī)I/O 口輸出低電平。此時(shí)“濾波選擇”端相當(dāng)于接地。電容以3與電阻R37構(gòu)成低通濾波器，振動(dòng)信道電壓信到達(dá) 運(yùn)放TOB的“_”端時(shí)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。此時(shí)減法/跟隨器工作在電壓跟隨狀態(tài)。輸出信號(hào)為Sv = Αχν+Α\+Αηι。此時(shí)信噪比較高，Axv > > Axp+AVl。故Sv為真實(shí)的飽和渦街信號(hào)。真實(shí)的渦街信號(hào)經(jīng)過(guò)由U4B、R19、R20、R21、R22、C18、C19、C20、D1、D2構(gòu)成的限幅
濾波器(圖6)，施密特觸發(fā)器以及電壓比較器最終輸出真實(shí)的渦街脈沖信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路，用于對(duì)提取了復(fù)合信道電壓信號(hào)和振動(dòng)信道 電壓信號(hào)兩種信號(hào)的渦街探頭的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，該電路包括兩個(gè)電荷放大器、兩個(gè)的 電壓放大器、減法/跟隨器切換電路、波形轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)，其中，復(fù)合信道電壓信號(hào)和 振動(dòng)信道電壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后，再經(jīng)過(guò)增益可調(diào)的兩個(gè)電壓放大器的被送 入減法/跟隨器切換電路的兩個(gè)輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電壓放大器的增益使兩個(gè)電壓放大 器輸出的振動(dòng)分量幅值相等，由減法/跟隨器切換電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換后得到的 方波信號(hào)被送入單片機(jī)；其中的減法/跟隨器包括一個(gè)的正向輸入端接經(jīng)過(guò)處理的復(fù)合信 道電壓信號(hào)，負(fù)向輸入端接經(jīng)過(guò)處理的振動(dòng)信道電壓信號(hào)的運(yùn)算放大器，在減法/跟隨器 的輸出端輸出的信號(hào)被送入單片機(jī)；當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的電壓幅值不超過(guò)運(yùn)算放大器的飽和 電壓時(shí)，通過(guò)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)使經(jīng)過(guò)處理的振動(dòng)信道電壓信號(hào)連接到減法/跟隨器 的負(fù)向輸入端，從而使減法/跟隨器工作在減法器狀態(tài)，否則，通過(guò)單片機(jī)輸出的控制信號(hào) 使振動(dòng)信道電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波后再連接到減法/跟隨器的負(fù)向輸入端，從而使減法 /跟隨器工作在跟隨器狀態(tài)，由減法/跟隨器切換電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換電路處理 成方波信號(hào)后被送入單片機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路，其特征在于，其中的波形 轉(zhuǎn)換電路包括依次連接的限幅濾波電路，施密特觸發(fā)器電路，電壓比較電路。
全文摘要
本發(fā)明屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抗周期振動(dòng)型渦街信號(hào)處理電路，復(fù)合信道電壓信號(hào)和振動(dòng)信道電壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后，再經(jīng)過(guò)增益可調(diào)的兩個(gè)電壓放大器的處理后被送入減法/跟隨器電路，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電壓放大器的增益使兩個(gè)電壓放大器輸出的振動(dòng)分量幅值相等，由減法/跟隨器電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換后得到的方波信號(hào)被送入單片機(jī)；通過(guò)單片機(jī)的控制，使減法/跟隨器處于不同的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)渦街信號(hào)的提取。本發(fā)明簡(jiǎn)單可靠，大大降低了后續(xù)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算量，有效地提高對(duì)管道振動(dòng)及各種設(shè)備引起的周期振動(dòng)干擾的抗擾性。
文檔編號(hào)G01F1/32GK102121836SQ20101060066
公開(kāi)日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者劉建, 孫宏軍, 遲雷 申請(qǐng)人:天津大學(xué)