渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理工作的,目前大多采用壓電傳感器來檢測(cè)卡門渦街。在理想情況下,傳感器輸出信號(hào)是一正弦信號(hào),其幅值與流量的平方成正比。實(shí)際上,渦街信號(hào)中含有復(fù)雜的噪聲成分,噪聲的頻率、幅度及規(guī)律性隨現(xiàn)場(chǎng)使用條件有很大差異。通常流量變化范圍比較大,傳感器的調(diào)理電路須適合整個(gè)流量范圍的信號(hào),所以,采用固定放大倍數(shù)的放大電路是很難滿足要求的。若放大倍數(shù)太小,信號(hào)幅值太小,如圖1a所示,對(duì)于采用脈沖計(jì)數(shù)方式的渦街流量計(jì),將達(dá)不到脈沖整形觸發(fā)器門限,就會(huì)少計(jì)脈沖;對(duì)于采用數(shù)字信號(hào)處理的渦街流量計(jì),不能充分發(fā)揮ADC轉(zhuǎn)換的精度,降低對(duì)信號(hào)的分辨能力,特別是遇到渦街信號(hào)衰落時(shí),ADC對(duì)信號(hào)的分辨能力會(huì)大大降低。若放大倍數(shù)太大,會(huì)使信號(hào)飽和,并且噪聲幅值也相應(yīng)被放大,如圖1b所示。
對(duì)于采用脈沖計(jì)數(shù)方式的渦街流量計(jì),就會(huì)多計(jì)脈沖;對(duì)于采用數(shù)字信號(hào)處理的渦街流量計(jì),由于信號(hào)飽和,信號(hào)接近幅值部分被削平,近似方波,則奇次諧波增加,如果噪聲正好落在奇次諧波附近,則諧波能量有可能超過基波能量,從而使得基于數(shù)字頻譜的數(shù)字信號(hào)處理方法計(jì)算出錯(cuò)誤渦街頻率。針對(duì)以上情況,文獻(xiàn)中提出了一種基于集成程控放大器的幅值調(diào)節(jié)方法,但集成程控放大器價(jià)格比較貴,而且放大倍數(shù)一般都大于1,調(diào)節(jié)范圍不靈活;文獻(xiàn)[4提出了一種限幅放大加低通濾波的方法,這種方法放大倍數(shù)固定,為了適應(yīng)小流量情況,放大倍數(shù)設(shè)置得比較大,所以,當(dāng)大流量時(shí)信號(hào)幅值比較大,可能會(huì)出現(xiàn)飽和,造成頻譜分析的誤差。為此,文中提出一種采用低功耗運(yùn)放加數(shù)字電位器組成程控放大器的方案,根據(jù)信號(hào)的纟色對(duì)平均值來調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值,在實(shí)驗(yàn)中得到很好的效果。
1.硬件設(shè)計(jì)
圖2所示為所設(shè)計(jì)的程控放大器,放大器采用低功耗運(yùn)放、數(shù)字電位器和電容電阻組成帶濾波器的放大電路,而數(shù)字電位器可以通過SPI端口寫入對(duì)應(yīng)數(shù)值來改變電位器輸出引腳B和W之間的電阻值Rx,從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的程序調(diào)節(jié)。放大器的放大倍數(shù)關(guān)系為Rx/(R1+R2),設(shè)計(jì)中數(shù)字電位器采用AD5160BRU100,其ZUI大阻值Rx,為100k歐姆,zui小阻值為450.625歐姆,R1+R2=5k歐姆,所以,放大器的放大倍數(shù)變化范圍可以在0.5~20倍之間,能夠滿足將渦街信號(hào)放大到合適范圍的需要。
考慮到系統(tǒng)采用TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器上的10位單極性ADC,其參考電壓為3.3V,所以,放大器加了1.5V的直流偏置Vref,這樣信號(hào)zui大幅值可以達(dá)到1.5V。另外,還在R,兩端并聯(lián)了二極管D1-D4起限幅作用。
2.軟件設(shè)計(jì)
確定程控放大器的放大倍數(shù)ZUI直接有效的方法就是依據(jù)信號(hào)的幅值。這就要求能夠檢測(cè)到信號(hào)的幅值大小。檢測(cè)的方法較多,可以將頻譜分析所得的功率譜ZUI大值作為信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)節(jié),也可以使用峰值檢測(cè)電路來檢測(cè)信號(hào)幅值。由于渦街信號(hào)成分比較復(fù)雜,不是理想的正弦波,在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),頻譜分析對(duì)渦街信號(hào)基波幅值跟蹤很不穩(wěn)定,而峰值檢波電路對(duì)信號(hào)上的尖峰毛剌比較敏感,容易造成檢測(cè)幅值大于真實(shí)幅值的情況;所以,這兩種方法對(duì)于渦街信號(hào)這種效果都不是很好。
考慮到所要的幅值只需反映整個(gè)信號(hào)的能量,是一種平均效果,所以可以利用信號(hào)的纟色對(duì)平均值或有效值作為調(diào)節(jié)依據(jù)。通過比較,發(fā)現(xiàn)在采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)足夠多的情況下這兩種方法的精度差不多,而求纟色對(duì)平均值的計(jì)算量比較小,所以,選用求纟色對(duì)平均值的方法。纟色對(duì)平均值隨正弦波幅值相應(yīng)變化,能夠反映信號(hào)幅值的大小。
連續(xù)信號(hào)纟色對(duì)平均值計(jì)算公式為
式中,Vaver。為*平均值;x(t)為信號(hào);t1-t0為信號(hào)長(zhǎng)度。
如果信號(hào)為整周期正弦波,則Vaver。等于常量2A/π(A為正弦波幅值),可見正弦波幅值與其纟色對(duì)平均值之間的關(guān)系為A=π?Vaver/2
在數(shù)字系統(tǒng)中式(1)變?yōu)槭?2)
式中,Vaver。為纟色對(duì)平均值;x(i)為離散信號(hào)序列;Δt為采樣周期;N為總采樣點(diǎn)數(shù)。
在數(shù)字系統(tǒng)中,式(2)中x(i)對(duì)應(yīng)的離散信號(hào)序列是經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換后的量化值,對(duì)這個(gè)量化值要**行去直流偏置處理,即將硬件部分所述的直流偏置電壓Vref去掉。另外,為了更直觀的反應(yīng)信號(hào)幅值,要將式(2)得到的纟色對(duì)平均值轉(zhuǎn)化為能夠反映實(shí)際電壓的信號(hào)幅值。由于理想渦街信號(hào)為正弦波,所以,采用正弦波來反應(yīng)信號(hào)幅值,結(jié)合式
(1),有正弦波幅值對(duì)應(yīng)的電壓值計(jì)算公式為式中,A為實(shí)際信號(hào)電壓幅值;LSB為ADC ZUI小量化單位代表的電壓值。
得到了實(shí)際信號(hào)的電壓幅值,就可以根據(jù)這個(gè)電壓幅值進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)整,從而調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。在主程序中加人幅值調(diào)節(jié)一個(gè)步驟,毎次程序執(zhí)行到這里就進(jìn)行一次幅值調(diào)整。具體調(diào)節(jié)方法可用式（4）表示式中,Rx,為數(shù)字電位器應(yīng)該調(diào)整的電阻值;Rl為數(shù)字電位器當(dāng)前輸出阻值;A0為信號(hào)要求的幅值;A為當(dāng)前計(jì)算得到的信號(hào)的幅值;c為常數(shù),表示放大倍數(shù)是否需要調(diào)整的門限值。
將式(4)計(jì)算得到的電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電位器對(duì)應(yīng)的量化值,通過SPI通信接口寫人數(shù)字電位器寄存器,就可以改變程控放大器放大倍數(shù),從而調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。
圖3是系統(tǒng)主程序流程圖,圖4是幅值調(diào)節(jié)部分的流程圖。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)以上方案,分別采用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源和渦街流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)作為信號(hào)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中取A0=0.7V,c=0.1V。
圖5是用 Tektronix AFG3101信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的不同幅值的信號(hào),經(jīng)過調(diào)節(jié)后的效果,可以看出經(jīng)過幅值調(diào)整后信號(hào)幅值基本上維持在0.7V左右,與要求的信號(hào)幅值A(chǔ)。接近。
圖6是將系統(tǒng)與耐德工業(yè)的40mm口徑渦街流量計(jì)一次儀表相連,對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整的效果,可見在不同頻率下,即不同流量下，經(jīng)過調(diào)整后的傳感器輸出信號(hào)幅值基本上維持在0.7V左右,也與A0接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,文中研究的程控放大器和幅值調(diào)整方法具有很好的效果。
上一條：
一種用于電磁流量計(jì)的無線手操器
下一條：
雷達(dá)液位計(jì)測(cè)易冷凝介質(zhì)的技術(shù)改進(jìn)
