隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展,要求渦街流量計(jì)能夠測量高溫流體;低功耗、兩線制地實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字處理,同時(shí)具有HART通信功能;能夠測量雷諾數(shù)在5000~20000范圍內(nèi)的小流量。為此,針對這些特殊需求,研制用于耐高溫渦街流量傳感器的信號調(diào)理電路、數(shù)字式兩線制HART渦街流量變送器、基于互相關(guān)分析測量低雷諾數(shù)流量的渦街流量計(jì)。采用壓電晶體材料制作的耐高溫渦街流量傳感器可以測量高溫流體,但存在靈敏度低、阻抗變大的問題。為此,研制用于耐高溫渦街流量傳感器的信號調(diào)理電路。設(shè)計(jì)兩級電荷放大器再加兩級低通濾波器的信號調(diào)理電路,對耐高溫渦街流量傳感器輸出的幅值較小的信號進(jìn)行放大和濾波,獲得穩(wěn)定的流量信號;對傳感器輸出信號線以及信號調(diào)理電路進(jìn)行屏蔽,防止由于阻抗變大導(dǎo)致調(diào)理電路輸出信號受到較大的電磁干擾,特別是工頻干擾的影響。引入HART通信增加了數(shù)字式兩線制渦街流量計(jì)的功耗,且通信穩(wěn)定性容易受電源波動(dòng)的影響。為此,研制數(shù)字式兩線制HART渦街流量變送器。采用穩(wěn)壓管與隔離型DC/DC相結(jié)合的電源設(shè)計(jì),保證了HART通信的穩(wěn)定工作;采用兩路隔離電源的電源設(shè)計(jì)方案,提高了電源的負(fù)載能力和系統(tǒng)抗干擾能力,在進(jìn)行數(shù)字信號處理的同時(shí),實(shí)現(xiàn)兩線制HART通信;與研制的用于耐高溫渦街流量傳感器的信號調(diào)理電路相結(jié)合,形成一個(gè)完整的用于耐高溫渦街流量傳感器的數(shù)字式兩線制HART渦街流量變送器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該變送器消耗的電流約為3.3378mA,測量液體流量的精度可以達(dá)到0.5級。常規(guī)的渦街流量計(jì)難以測量雷諾數(shù)在5000~20000范圍內(nèi)的小流量。為此,研制基于互相關(guān)分析測量低雷諾數(shù)流量的渦街流量計(jì)。采用互相關(guān)分析方法,充分利用兩路渦街流量信號的相似性,實(shí)現(xiàn)低雷諾數(shù)流量的測量;重新設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)一次儀表,以滿足互相關(guān)分析的要求;提出一種基于互相關(guān)分析快速計(jì)算延遲時(shí)間的方法,保證儀表的實(shí)時(shí)性;采用三次樣條插值的方法,提高延遲時(shí)間的計(jì)算精度;以低功耗單片機(jī)MSP430F6459為核心,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),滿足低功耗要求。水流量標(biāo)定結(jié)果表明,該渦街流量計(jì)量程下限所對應(yīng)的雷諾數(shù)為6649,測量精度為1.0級。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH814;TP212
【部分圖文】：

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文石英晶體的壓電系數(shù)僅為鈦酸鋇壓電陶瓷的五十分之一。這就導(dǎo)致采用壓電晶體材料制作的耐高溫渦街流量傳感器輸出信號幅值很小、靈敏度低且易受電磁干擾特別是工頻干擾的影響，從而影響耐高溫渦街流量計(jì)的測量精度、量程下限以及抗干擾能力。2.2 基于雙電荷放大器的信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)由于壓電晶體材料的壓電系數(shù)僅為壓電陶瓷材料的幾十分之一甚至幾百分之一，采用壓電晶體材料制作的耐高溫渦街流量傳感器的輸出信號幅值太小，特別是在小流量時(shí)，傳感器輸出的渦街流量信號很容易被環(huán)境噪聲所淹沒。采用 50mm口徑的渦街流量計(jì)一次儀表，在相同流量情況下(對應(yīng)的渦街流量信號的頻率約為60.22Hz)，壓電陶瓷材料制作的普通渦街流量傳感器和壓電晶體材料制作的耐高溫渦街流量傳感器輸出信號經(jīng)過相同的信號調(diào)理電路放大濾波后的輸出信號的幅值譜如圖 2.3 所示。

第二章 用于耐高溫渦街流量傳感器的信號調(diào)理電路研制公式(2.2)表明，按照圖 2.6 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一級、第二級電荷放大器的頻率特性由比例環(huán)節(jié) R1C2、微分環(huán)節(jié) S、慣性環(huán)節(jié) 1/（R1C1S+1）和 1/（R2C2S+1）組成。分析各環(huán)節(jié)的幅頻特性可知，第一級、第二級電荷放大器的幅頻特性可等效為一個(gè)有源帶通濾波器。利用 MATLAB 軟件繪制的采用兩級電荷放大器方法中的第一級電荷放大器的幅頻特性、第二級電荷放大器的幅頻特性以及兩級電荷放大器級聯(lián)后的幅頻特性，如圖 2.7 所示。

(a) 采用一級電荷放大器 (b) 采用兩級電荷放大器圖 2.8 調(diào)理電路輸出信號幅值譜對比Fig 2.8 Comparison of amplitude spectrum of output signal of conditioning circuit對比分析圖 2.8中(a)和(b)兩個(gè)幅值譜圖可知，采用傳統(tǒng)的一級電荷放大器時(shí)，由于耐高溫渦街流量傳感器的輸出信號中，渦街流量信號幅值太小，經(jīng)調(diào)理電路放大濾波后的，渦街流量信號被噪聲所淹沒，從而無法提取出流量信息；而采用兩級電荷放大器時(shí)，利用第二級電荷放大器的放大和濾波作用，將渦街流量信號進(jìn)行放大，并對噪聲進(jìn)行濾波，其調(diào)理電路輸出信號的幅值譜中，渦街流量信號的幅值占據(jù)明顯的優(yōu)勢，從而可以很容易地提取出流量信息。在以上相同的實(shí)驗(yàn)條件下，在傳統(tǒng)的只采用一級電荷放大器的基礎(chǔ)上，增加一級有源帶通濾波器，調(diào)理電路輸出信號的幅值譜如圖 2.9 所示，其中，有源帶通濾波器的放大倍數(shù)為 20 倍。
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本文編號：2868672