涡流检测电路的改进研究

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涡流检测电路的改进研究

闫战科，周洪亮，张宏建，孙志强

(浙江大学控制科学与工程系，浙江杭州！ ' ##$% )

摘要：涡流频率检测是涡街流量计的关键技术之一。 涡流频率信号与流量成比例的变化范围宽，对不同的测量介质

与测量管路不同，由于在实用上混合有各种各样的干扰，所以提高涡流路频率的测量精度非常困难，但需要

工作。 研究了传统涡街频率检测电路，分析了涡街频率信号的特点，在比较各种滤波方法和频率测量方法的基础上提出

通过自适应高阶低通滤波器电路衰减干扰信号，采用自适应扩散周期法测定频率。 该方法简单可行，可以仿真和实验

结果表明，改进电路可以有效减弱涡流信号的干扰，提高涡流频率的测量精度。

关键词：涡街流量计； 自适应滤波； 周期性扩张； 频率测量

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#引言

涡街流量计通过检测卡曼涡流的频率，计算流径管道

的流体流量的。 在目前广泛使用的涡街流量计中，应力式涡街

流量计应用较多，这种流量计的信号处理部分大多是现有的硬部件

实现电路。 电路由分立PQ元件和运算放大器构成，采用这种方法

法成本低、响应速度快、实时性好[%]。 但是，由于电路参数是固定的，所以不

测量与同口径一次仪表不同的流体必须配备不同的处理电路。

流量计使用现场复杂，存在各种干扰和不确定因素

也有可能降低涡流信号的噪声比，完全淹没涡流信号

不[！ ]。 典型的硬件电路很难处理强干扰问题，尤其是在低流速时

问题比较严重。 同时，涡流频率信号范围宽(例如，% R！ # ' ' ' '

(s )、)、常用计数方法大范围测频存在一定的错误

因此，有必要研究现有涡流信号频率的硬件电路检测方法

拜托了。

目前，有关涡流信号处理的研究较多，几乎都偏向于涡街

信号的数字处理算法在实际应用中需要高性能的处理器

现在！ R ]。 从硬件电路上改进涡流频率信号检测方法的研究

比较罕见。 文献() )针对抗干扰问题，在涡流信号前放置放大器

进行了研究，采用了用电阻、电容及放大器构成的方法

模拟滤波器不能提高滤波器阶数，难以提高精度。 在脉里

关于频率测量，文献[T]讨论了采用计时加频的方法使其准确

测量涡流频率信号并接管频率的计算增加了软件设计的难度。

在研究现有涡流检测电路的基础上，改进硬件电路

的抗干扰能力和通用性，引入了自适应滤波和周期扩展

" 涡街流量计及其典型信号" L " 涡街流量计的工作原理

压电式涡街流量计的工作原理框图 如 图 % 所 示，压 电 晶 体是检测元件，受漩涡应力作用产生与漩涡分离频率相同的 电 荷信号，检测放大器 把 电 荷 信 号 变 换 处 理 后，输 出 与 流 量 成 正 比例的脉冲信号。流体体积流量 ! 与漩涡频率 " 的关系如下。! W " # $

式中：" 为旋涡分离频率；$ 为流量计流量系数。可见，对涡街传感器频率信号的提取和测量是涡 街 流 量 计设计的关键。图 " 压电式涡街流量计的工作原理" L $ 典型信号分析

研究发现，压电 式 涡 街 传 感 器 中、小 流 量 时 输 出 信 号 混 杂噪声比较明显，信 号 中 噪 声 的 频 率、幅 值 及 其 变 化 规 律 因 现 场使用条件而不 同。例 如，有 流 体 流 动 的 噪 声、流 体 低 频 摆 动 噪声、机械振动噪 声 及 工 业 现 场 其 他 设 备 的 干 扰 等。这 样，涡 街流量计的输出信号由两部分组成：一是流体流过涡街发生 体 产!""+ 年第 & 期

仪 表 技 术 与 传 感 器

U2IBAEH52B ’5F02;?E5 12M >52I8A!""+.8X &万方数据

生的正弦涡街信号；一是由各种干扰引起的噪声信 号。怎 样 得到涡街信号也就是滤波的问题。

研究发现：在中、低 流 速 时 涡 街 信 号 混 杂 有 不 同 程 度 的 干扰信号，因为流 速 越 小，流 量 信 号 越 弱，所 以 流 速 越 低，涡 街 信号受 噪 声 干 扰 越 明 显。

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工作，发现探头固 有 振 荡 频 率 干 扰 着 真 实 涡 街 信 号，并 且 涡 街频率信号越高，固有频率信号越强。如某 !" ## 管径的涡街传感器信号频率为 $+" ,-，而传感器探头的高频干扰信号为+ .//,-［)］。当涡街流量信号的频率非常接近固有振荡频率 时，涡 街信号就会被固 有 信 号 淹 没。这 对 放 大 滤 波 电 路 的 设 计 提 出 了很高的要求。

频谱分析发现，涡街干扰信号既有高频段干扰又 有 低 频 段

的干扰，高频段干 扰 占 干 扰 的 大 多 数，而 且 大 多 分 布 在 真 实 流量频率信号的附 近，有 的 只 有 流 量 频 率 信 号 的 + % ) 倍。所 以设计特殊的滤波 电 路，从 干 扰 信 号 中 分 离 出 流 量 信 号，是 电 路设计的难度所在。! 信号处理电路设计

压电元件受应力作用产生电荷信号，第一级电荷 放 大 器 把微弱电荷信号转换成电压信号；第二级低通滤波电器削弱 掉 大部分的干扰信号和高频谐波；第三级放大整形电路把频率 信 号转换成规则的 方 波 信 号 以 方 便 频 率 测 量。因 为 测 量 流 量 范 围的差异，对于不同口径的产品，电路中分立 !、" 元件 参 数 的 设置就不同，放大板，二次表与口径之间具有针 对 性。因 此，不 同口径之间的放大 板 与 二 次 表 不 能 随 意 互 换，要 进 行 互 换，必 须按器件要求调校 后，才 能 互 换，这 就 给 电 路 的 设 计 和 仪 表 的 选型使用带来了不便。基于智能型流 量 计 的 设 计 思 想，为 了 提 高 电 路 的 通 用 性，降低电路对分立 元 件 参 数 的 敏 感 性，方 便 调 试，设 计 采 用 单 片机控制的信号放大电路和滤波电路，即用自动增益控制放 大 器和截至频率软件可调的滤波器来代替传统的电路，使电路 具 有

自适应能力，同时 能 更 有 效 的 滤 除 干 扰 信 号，提 高 频 率 测 量 精度。电路原理如 图 + 所 示。电 荷 放 大 器 采 用 模 拟 开 关 来 决 定放大倍数，低通滤 波 电 路 采 用 单 片 机 自 适 应 调 节 截 至 频 率，这样电路能适应于不同管径，提高了流量测量的范围。图 ! 自适应放大滤波电路原理图! " # 电荷放大器设计

压电晶体的输出信号十分微弱，电荷放大需选用 具 有 深 度负反馈的高增益放大器，采用双端输入的差动电荷转换器 提 高

输入级的共模 抑 制 能 力。电 荷 放 大 器 的 放 大 倍 数 主 要 取 决 于反馈电容的大小，对不同的管径，电荷信号大小范围 不 同，因 此需要选用不同的反馈电容，这里利用数字模拟开关来实现 自 动增益调整。! " ! 自适应滤波器设计

因为涡街频率 信 号 随 流 量 变 化，如 对 一 定 的 管 径 和 介 质，其值在 0 % + """ ,- 之 间，干 扰 信 号 频 率 也 会 随 涡 街 信 号 频 率变动，一些高频干扰存在不确定性，给滤波电路设计 带 来 困 难。对于涡街探头固有振荡频率，可以通过高衰减比的滤波器 来 消

除；其他干扰信号 频 率 变 动 范 围 大，一 般 是 涡 街 频 率 的 几 倍 到几十倍，也需要根据实际情况来确定低通滤波的截 至 频 率。只有把干扰信号衰减到一定程度，真实涡街频率信号才能用 硬 件电路检测出来。滤波电路的设计如下：

图 $ % 种常见滤波器类型的幅频特性

首先确定滤波 器 的 类 型。常 见 滤 波 器 有 切 比 雪 夫 滤 波 器（12345(236）、巴 特 沃 斯 滤 波 器（ 78993:;<:92）、贝 塞 尔 滤 波 器（73((3=）、椭圆滤波器（>==?@9?AB=）等。经 过 仿 真 比 较，$ 种 基 本 滤波器的滤波特性 曲 线 如 图 ) 所 示。巴 特 沃 斯 滤 波 器 的 有 最 平坦的通频带，通带 内 有 最 小 的 衰 减；贝 塞 尔 滤 波 器 的 截 至 频 带)* CD(9:8#3D9 E3A2D?F83 BDG H3D(<: I@:J +""*万方数据衰减速度更慢，它 的 主 要 特 点 是 具 有 线 性 频 率 响 应，切 比 雪 夫滤波器有较陡的 衰 减 带，但 在 通 带 内 有 很 多 脉 动；椭 圆 滤 波 器的衰减特性最明 显，要 优 于 以 上 几 种 滤 波 类 型，虽 然 在 通 带 内也有较大的脉动，但在衰减比要求比较高的场合比 较 适 用。对

涡街信号，有 时 漩 涡 的 上 限 信 号 和 干 扰 信 号 频 率 相 差 不 到 !倍，而且干扰信号 的 幅 值 还 大 于 干 扰 信 号，这 正 需 要 具 有 高 衰减速率的滤波器，椭圆滤波满足要求。

常见模拟 滤 波 器 有 "# 有 源 滤 波 器、开 关 电 容 滤 波 器 等。"# 有源滤波器主 要 由 分 立 元 件 构 成，滤 波 器 曲 线 和 截 止 频 率取决于构成滤 波 器 的 分 立 无 源 元 件 的 选 取。开 关 电 容 滤 波 器技术使用片外或片内时钟调整滤波器截止频率，时钟频率 是 截止频率的倍数。开 关 电 容 集 成 滤 波 器 无 需 外 接 决 定 频 率 的 电阻或电容，滤波频 率 仅 由 外 接 或 片 内 时 钟 频 率 决 定，且 其 频 率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较 稳 定。更 主要的是，滤波器滤波频率可以根据输入频率信号的大小进 行 实

时跟踪，如果干扰 信 号 围 绕 真 实 频 率 信 号 变 化，只 有 做 到 自 适应滤波才能真正有效的削弱干扰信号，用开关电容滤波技 术 做

自适应滤波，这正适合流量频率信号大范围变动的应用。经分析发现，滤波器的阶数越高，滤波效果 越 好，而 且 对 外部元件的参数更不敏感。为此，采用单片滤波器设计 来 代 替 传统的分立元件 "# 滤波器，比较快也比较简单，当阶数很高时更是如此。它不需要精密的电阻、电容等分立组 件，加 上 性 能 好，具有分立元件 "# 有源滤波器的大部分优点。以开关电容滤波器 $%&’()( 为例，$%&’()( 是 * 阶，低通，椭圆函数滤波器，可设定转折频率 + ,- . +) /,- 0阻带抑制比为1) 23，滚落过渡比为 +4 !，低失真。当通过外部时钟设定截至频率时，截至频率计算公式如下：!# 5 !#67 " +))

由 $%&’()( 组成 * 阶椭圆滤波器，其幅频特性如图 (。可见其频率截至速度快，幅频响应好。图 ! " 阶椭圆滤波器低通滤波幅频特性# $ % 限幅放大整形电路

为得到方波，该 级 电 路 把 有 用 信 号 限 幅 放 大，并 把 正 弦 信号整形为规则的方波信号，送后级测频电路测量频 率。电 路 中最 后 一 级 为 施 密 特 触 发 整 形 电 路，这 里 触 发 电 平 设 计 软 件 可调，利用软件判断无需调节电路板可以调节仪表灵敏度。# $ ! 实验结果

实验基于 8) 99 管 径 下 的 涡 街 信 号 进 行。涡 街 频 率 范 围在介质 为 水 时 大 约 为 8 . 1) ,-，介 质 为 空 气 时 大 约 为 ’) . *)8,- 0理想情况下，传 感 器 输 出 是 正 弦 波 信 号。模 拟 实 验 用 叠 加上各种干扰的正弦波来作为输入，即#:; 5 <:;（!!!) $ =!)）= %+ <:;（!!!+ $ =!+）= … = &式中：!) 为涡街信号频率；!+ 和 %+ 为高频或低频干扰的频率和幅值；& 为其他随机干扰。

实验步骤如下：

（+）对应低 流 速，取 !) 5 +) ,- 0 干 扰 一 为 固 定 谐 波 干 扰，!+5 *) ,-，%+ 5 )4 !，偏 置 电 压 为 )4 ! #，干 扰 二 为 随 机 干 扰，!! 5+))) ,-，%! 5 )4 >，衰减比为 8)：+；干扰三和四为随机脉冲干扰，峰值分别为 > ? 和 ( ? 0信号波形和实验结果如图 8。 #:;为电荷放大后输入波形，#+ 为滤波后波形，#! 为限幅放大后波形，#> 为整形后波形。图 & !’ ( )’ ,- 时输入信号及处理后波形

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仿真和实验结果 都 表 明，在 涡 街 信 号 频 率 范 围 内，对 于 一定的干扰，电路滤波效果非常明显。由于自适应滤波 技 术 可 以第 ( 期 闫战科等：涡街频率检测电路的改进研究 >’万方数据很精确地设置滤 波 截 至 频 率，加 上 电 路 可 以 自 动 调 整 灵 敏 度，涡街流量频率信号可以得到准确提取。

! 单片机频率测量

涡街频率信号 在 不 同 介 质 和 管 径 中 所 对 应 的 频 率 范 围 不同，但基本都处在低、中频段（大约在 ! " # $$$ %&），其频率测量通常采用定时采集信号脉冲数的方法（计时法），这种方法 在 高频段时精度较高，但在低频段却会产生较大的误差。采 用 低 频端测周加高频端测频的方法可以提高测量精度，但该法需 要 计算交接频率，而且也存在测量死区问题。多周期同步 测 频 方 法的闸门时间不是 固 定 的 值，而 是 被 测 信 号 的 整 周 期 倍，即 与 被测信号同步，因此消除了对被测信号计数产生的 ’ ! 误差，测量

精度大大提高［!$］。文中 根 据 对 多 种 测 频 原 理 及 测 量 误 差 的 分析，结合多周期同 步 法 的 优 点 和 涡 街 实 际 频 率 信 号 的 大 小，同时为了简化硬件电路设计，采用软件调整的自适应扩展周 期 的多周期同步法来测量涡街频率。

多周期同步法测量 原 理 如 图 (。其 中 !" 是 被 测 信 号 脉 冲数，令时基的频率为 #$，时 基 脉 冲 个 数 为 !$，则 被 测 信 号 #" 的频率和测量分辨率可得：#" ) !" $ %" ) !"#$ $ !$*#"

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可见 !" 越长或时基 #$ 越高，测量精度越高，但实际上是不现实的，时基频率一般是个固定量，而频率信号又是 一 个 变 量，!" 取值大不仅会降低测量 实 时 性，而 且 会 使 频 率 测 量 不 准 确，适当选取 !" 的值是个关键。图 " 多周期同步法测量原理

为此，提出自适应扩周期测频的方法，当频 率 信 号 很 低 时，使闸门时间也变小，即 !" 取较小值，当频率上升时及时调整闸

门时间，!" 取较大的值，使 测 量 精 度 尽 可 能 提 高。此 思 想 在 单片机频率测量中比 较 容 易 实 现，使 用 +,- 系 列 单 片 机 中 的 --+部件中的捕捉 工 作 模 式 来 实 现 周 期 闸 门 的 控 制。--+ 工 作 在捕捉方式时，一旦有下列事件（每个脉冲下降沿；每个脉 冲 上 升沿；每 . 个脉冲上升沿；每 !/ 个脉冲 上 升 沿。）在 --+ 引 脚 上 发生时，--+0!1 和 --+0!% 寄存器分别捕捉记录下这时 230! 寄存器中 !/ 位的 值，即 一 个 周 期 或 周 期 的 倍 数 值。 这 种 模 式 下230! 必须设定为定时器工作方式或同步计数器工作方 式。通过软件判断频率大小，自动调 整 测 量 周 期 数 !"，来 适 应 涡 街 频率信号的范围。--+ 工作原理如图 4。

在不扩展任何硬件电路的情况下，采用自适应扩 展 周 期 法

测量频率时，利用脉冲下降沿 捕 捉 脉 冲 并 开 启 闸 门，!" 的 值 可以取为 !、.、!/，这 . 种 不 同 的 触 发 方 式 的 选 择 由 软 件 实 现，可以事先建立判断频率大小的标准，从而当频率变化大于某 个 范围时改变 !" 的取值，自动调整闸门时间，提高测量精度。具体软件框图从略。

图 # 脉冲捕捉测量电路原理$ 结束语

按照上述思想设计的涡街频率智能检测电路，由 于 做 到 了

滤波电器的自适 应，从 噪 声 中 提 取 涡 街 信 号 的 能 力 大 大 加 强；利用单片机根据输入频率的稳定情况自动调节电路的增 益、灵

敏度，克服了传统上需要人工调节电位器、更换元器 件 的 不 足；采用周期扩展的频率测量方法，利用单片机来提高频率测 量 精度，比传统测量电路有更大的适用范围。该方法提高 了 信 号 的测量范围和精度，简化了电路设计，有助于开发通用 性 强、精 度高的智能型涡 街 流 量 计。测 量 电 路 元 件 简 单，成 本 低，调 试 方便，便于推广。

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74Q—），硕士研究生，研究方向为流量仪表检测技术!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"" ""

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Q4 ,?CKIPJL?K 2LZ[?D\PL @?* GL?CEI 9WI] 6$$/万方数据涡街频率检测电路的改进研究

作者： 闫战科， 周洪亮， 张宏建， 孙志强， YAN Zhan-ke， ZHOU Hong-liang， ZHANG Hong-jian， SUN Zhi-qiang作者单位： 浙江大学控制科学与工程学系,浙江,杭州,310027刊名： 仪表技术与传感器

英文刊名： INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR年，卷(期)： 2006(4)被引用次数： 1次参考文献(10条)

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