专利名称：抗周期振动型涡街信号处理电路的制作方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表技术领域，涉及一种涡街流量计。
背景技术：
涡街流量计是一种基于流体力学著名的“卡门涡街”原理的流量计量仪表。其 中，应力式涡街流量计以其响应快、信号强、工作温度范围宽、现场适应性强、可靠性高等 优点，已经成为涡街流量计的主要产品类型。这种涡街流量计中，它把检测元件受到的升 力以应力形式作用在压电检测元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后 得到涡街信号。由于压电元件灵敏度较高，当流体管道存在周期振动的时候，压电探头内 压电陶瓷感应到的力除了旋涡升力还有管道振动的力，二者变化频率不同，又因为管道振 动的力往往大于旋涡升力，故管道周期振动对涡街流量计的测量造成很大的干扰。专利 CN200920096912. 8公开了一种三线共地型压电探头，该种探头配合基于EMD陷波原理的数 字信号处理方法，能够提高对管道振动及各种设备引起的周期振动干扰的抗扰性。但是，基 于EMD陷波原理的数字信号处理方法存在运算量较大，无法推广到仪表使用的单片机DSP 等微处理器的缺点。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提出一种适用于从含有周期振动信号及真实涡 街信号的复合信号中提取出真实的涡街信号的抗周期振动型涡街信号处理电路。本发明的 抗周期振动型涡街信号处理电路采用以下技术方案一种抗周期振动型涡街信号处理电路，包括两个电荷放大器、两个的电压放大器、 减法/跟随器切换电路、波形转换电路和单片机，其中，复合信道电压信号和振动信道电压 信号分别经过电荷放大器处理后，再经过增益可调的两个电压放大器的被送入减法/跟随 器切换电路的两个输入端，通过调节两个电压放大器的增益使两个电压放大器输出的振动 分量幅值相等，由减法/跟随器切换电路输出的信号经过波形转换后得到的方波信号被送 入单片机；其中的减法/跟随器包括一个的正向输入端接经过处理的复合信道电压信号， 负向输入端接经过处理的振动信道电压信号的运算放大器，在减法/跟随器的输出端输出 的信号被送入单片机；当单片机检测到的电压幅值不超过运算放大器的饱和电压时，通过 单片机输出的控制信号使经过处理的振动信道电压信号连接到减法/跟随器的负向输入 端，从而使减法/跟随器工作在减法器状态，否则，通过单片机输出的控制信号使振动信道 电压信号先经过低通滤波后再连接到减法/跟随器的负向输入端，从而使减法/跟随器工 作在跟随器状态，由减法/跟随器切换电路输出的信号经过波形转换电路处理成方波信号 后被送入单片机。作为优选实施方式，其中的波形转换电路包括依次连接的限幅滤波电路，施密特 触发器电路，电压比较电路。本发明提出的抗周期振动型涡街信号处理电路，通过模拟信号处理方法从含有周期振动信号及真实涡街信号的复合信号中提取出真实的涡街信号，该种方法简单可靠，大 大降低了后续数字信号的运算量，有效地提高对管道振动及各种设备引起的周期振动干扰 的抗扰性。
图1本发明实施例采用的涡街探头。图2本发明的电路结构总框图。图3本发明的电荷放大器1电路原理图。图4本发明的电荷放大器2电路原理图。图5本发明的减法/跟随器电路原理图。图6本发明的滤波限幅器电路原理图。图7本发明的复合信道电压信号s/的波形图。图8本发明的振动信道电压信号的波形图。图9本发明的减法跟随器输出信号Sv的波形图。
具体实施例方式本发明实施例采用的三线共地型探头如图1所示。探头内部采用了长条形压电陶 瓷片(称为压电元件)，把四片条形压电元件以探头固定点为界分为涡街检测和振动检测 两组，涡街检测由压电元件1、2组成，振动检测由压电元件3、4组成，每组两压电片对称放 置在中性轴的两侧，其整体垂直地放入检测元件的圆柱形腔体内。中性轴由不锈钢材料导 体制成，引出端线设为ο，涡街检测和振动检测两组压电元件分别将其外侧相连并各自引出 端线a、b，如图5所示。然后用封装材料将所有压电元件固定，就构成了涡街与振动信号同 时检测的“三线共地型”(a、o、b三线，共用0线)压电探头结构。本发明的电路结构总框图如图2所示，电路包括两路电荷放大器模拟电路，两路 电压放大器模拟电路，单片机控制的减法/跟随器电路，波形转换电路(包括限幅滤波电 路，施密特触发器电路和电压比较电路)以及为上述电路提供电压基准的电压参考电路。首先，将三线共地型探头输出的复合信道电荷信号和振动信道电荷信号分两路使 用电荷放大器模拟电路进行电荷放大得到正弦电压信号S1和S2。然后将S1和&分别使用 电压放大器模拟电路进行电压放大得到S/，并通过调节两路电压放大器的放大倍 数，使S1'的振动信号分量幅值相等。在整个流量测量范围内，作用在旋涡发生体
每单位长度上的升力为&由计算公式巧= Ici-2得出结论升力大小只与流体密度，涡
街发生体尺寸，介质流速有关，而压电探头输出的信号与升力大小正比。对于同一管道，周 期震动信号的频率和幅值在一定范围内是不变的，涡街信号的频率和幅值随着管道内流量 的增加而增加，故当管道周期振动干扰加速度大小不变时，随着流速的增大，信噪比逐渐增 加。对于某一固定口径的管道通过理论分析和实验验证，可以确定临界测量流量值，通过 单片机来控制“减法/跟随器”的工作状态，当S1 ‘的涡街分量幅值未达到运算放大器的输 出上限时，设置减法/跟随器工作在减法器状态，S1'与S2'通过减法器相减，使周期振动 信号相互抵消。减法/跟随器输出真实的涡街正弦电压信号Sv。当S1'的涡街分量幅值达 到运算放大器的输出上限时设置减法跟随器工作在跟随器状态，对S1'进行电压跟随，由于此时涡街信号很强，信噪比较高，也认为减法/跟随器输出真实的涡街正弦电压信号sv。 Sv通过限幅滤波电路和施密特触发电路，最终得到真实的涡街脉冲电压信号。下面对本发明的信号处理方法进行详述。由三线共地型压电探头输出信号为两路电荷信号
k复合信道电荷信号Xv(0 = Av+ φν) + ^Α1 sm(2mfpt + 钓)+ σν(t)
i=l振动信道电荷信号x々) =告sin(2办+ ++钓)+ σ力)Av，fv，9,表示涡街信号的幅值，频率，相位，&表示振动信号的基频，Ai, φ,表示管 道振动基频的i倍频的幅值、相位，ο ν、ο p分别表示随机噪声信号，N为涡街分量的幅值参 数，远远大于1，C为振动分量的幅值参数，其值约等于1。复合信道电荷信号经过由U3A、R6、R7、R8、C6、C7、C8、C9构成的电荷放大器1(图 3)放大，振动信道电荷信号经过由U5D, R12、R13、R14、Cll、C12、C13、C14构成电荷放大器 2(图4)放大得到正弦电压信号S1和S2 复合信道电压信号Sl = xv+xp+ni振动信道电压信号:s2=、+ Cxp +n2其中，xv别为涡街信号，Xp为振动信号，叫、n2表示复合检测元件和振动检测元件 受到的随机干扰信号。复合信道电压信号S1经过由电压放大器1放大，振动信道电压信号&经过由电压 放大器2放大，得到电压信号s/，调节W3、W5使s/的振动分量幅值相等， 信号s/如下所示复合信道电压信号s/ = Axv+Axp+Ani (图7)振动信道电压信号W=B^BCxp +Bn2 (图8)其中，=BGcp;U4A为电压跟随器1 ；U5A为电压跟随器2 ；起到信号隔离的作用。U5B、R33、R34、R35、R36、R37、C23 构成减法 / 跟随器，C23 的 filter 与单片机 I/ 0 口连接，由单片机控制减法/跟随器状态的切换。复合信道信号s/连接电阻R33，输入 减法/跟随器的“ + ”，振动信道信号S2'连接电阻R37，输入减法跟随器的“-”。1)减法器状态当流量较小，涡街信号较弱时，Axv幅值不超过运算放大器的输出 电压时，filter端I/O 口设置为高阻态。此时filter端相当于断路，电容C23没有连入电 路，此时减法/跟随器工作在减法器状态，s/与S2'相减。输出信号为八=04-|:)xv+Anl -万《2 (图 9)。
B因为A = BC，C 1，N>> 1，故J-ya 1，又随机干扰信号Ii1, n2忽略不计，故Sv 为真实的正弦涡街信号。2)跟随器状态当流量较大，涡街信号很强时，Axv幅值超过运算放大器的输出电 压时，正弦信号饱和。此时设置“滤波选择”端所连接的单片机I/O 口输出低电平。此时“滤波选择”端相当于接地。电容以3与电阻R37构成低通滤波器，振动信道电压信到达 运放TOB的“_”端时变为直流信号。此时减法/跟随器工作在电压跟随状态。输出信号为Sv = Αχν+Α\+Αηι。此时信噪比较高，Axv > > Axp+AVl。故Sv为真实的饱和涡街信号。真实的涡街信号经过由U4B、R19、R20、R21、R22、C18、C19、C20、D1、D2构成的限幅
滤波器(图6)，施密特触发器以及电压比较器最终输出真实的涡街脉冲信号。
权利要求
1.一种抗周期振动型涡街信号处理电路，用于对提取了复合信道电压信号和振动信道 电压信号两种信号的涡街探头的输出信号进行处理，该电路包括两个电荷放大器、两个的 电压放大器、减法/跟随器切换电路、波形转换电路和单片机，其中，复合信道电压信号和 振动信道电压信号分别经过电荷放大器处理后，再经过增益可调的两个电压放大器的被送 入减法/跟随器切换电路的两个输入端，通过调节两个电压放大器的增益使两个电压放大 器输出的振动分量幅值相等，由减法/跟随器切换电路输出的信号经过波形转换后得到的 方波信号被送入单片机；其中的减法/跟随器包括一个的正向输入端接经过处理的复合信 道电压信号，负向输入端接经过处理的振动信道电压信号的运算放大器，在减法/跟随器 的输出端输出的信号被送入单片机；当单片机检测到的电压幅值不超过运算放大器的饱和 电压时，通过单片机输出的控制信号使经过处理的振动信道电压信号连接到减法/跟随器 的负向输入端，从而使减法/跟随器工作在减法器状态，否则，通过单片机输出的控制信号 使振动信道电压信号先经过低通滤波后再连接到减法/跟随器的负向输入端，从而使减法 /跟随器工作在跟随器状态，由减法/跟随器切换电路输出的信号经过波形转换电路处理 成方波信号后被送入单片机。
2.根据权利要求1所述的抗周期振动型涡街信号处理电路，其特征在于，其中的波形 转换电路包括依次连接的限幅滤波电路，施密特触发器电路，电压比较电路。
全文摘要
本发明属于仪器仪表技术领域，涉及一种抗周期振动型涡街信号处理电路，复合信道电压信号和振动信道电压信号分别经过电荷放大器处理后，再经过增益可调的两个电压放大器的处理后被送入减法/跟随器电路，通过调节两个电压放大器的增益使两个电压放大器输出的振动分量幅值相等，由减法/跟随器电路输出的信号经过波形转换后得到的方波信号被送入单片机；通过单片机的控制，使减法/跟随器处于不同的工作状态，实现真实涡街信号的提取。本发明简单可靠，大大降低了后续数字信号的运算量，有效地提高对管道振动及各种设备引起的周期振动干扰的抗扰性。
文档编号G01F1/32GK102121836SQ20101060066
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者刘建, 孙宏军, 迟雷 申请人:天津大学