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高抗干扰的智能化压缩空气流量计研究
点击次数:521 发布时间:2014-11-08

1、压缩空气流量计简介
  压缩空气流量计是一种无运动部件的流量计,这个特性使其在使用过程中增长使用寿命。压缩空气流量计是一种数字式流量计,大致可分为以下几类:
(1)圆柱压缩空气流量计。圆柱形的漩涡发生体外部形状较简单,但对测量管道内流速的精度有影响。这种流量计具有较高的St 数(约0.20),通过采取抽吸作用边界层控制技术,再加上恒温电路来检测横向脉动频率。一般地,圆柱压缩空气流量计多采用热丝检测。
(2)矩形柱压缩空气流量计。矩形柱压缩空气流量计矩形柱体的长宽比b/d 对漩涡强度有明显的影响,漩涡强度和阻力损失是b/d 的函数。当b/d=0.67 时漩涡达到zui强程度,此时的阻力系数Cd 也增到一个极大值, b/d=0.67的矩形柱St 数约为0.166。目前采用的检测方法是差动电容检测脉动压差。
(3)三角柱压缩空气流量计。当前采用较多的漩涡发生体是三角柱形的,其形状通常由试验确定。它不单或者失去比圆柱更强烈的漩涡,而且它的沿海层撮合点是固定的,即其斯特罗哈数St 恒定,大约为St=0.16。那么f=0.16u/d,其中d 为三角柱的底边宽度。这是一种具有较好发展潜力的柱形,柱体断面是等腰三角形切去3 个顶角,较大的长宽比b/d(长度为b,宽度为d)有利于高流速时涡街的形成和稳定,而较小的b/d 则漩涡较强,在低Re 下具有较好的性能。
(4)组合柱型压缩空气流量计。为了使漩涡的性能更加稳定,漩涡的强度更加可靠,使用多种形状组合成的柱型。但是由于这种柱型的结构过于复杂,在安装及制作过程中产生不必要的麻烦,可利用性较差,一般不被大多数场所采用。本文通过设计悬浮差动式流量传感器,主要是能够让压缩空气流量计可以智能化的对流速较低、流量较小的场合进行测量,尽量提高有效流量信号的幅值而降低振动干扰噪声的幅值。
2、传感器结构设计
2.1 悬浮差动式流量传感器
图1 为流量传感器的结构示意图。

在平板两侧对称固定了2 个检测单元,圆柱形的壳体在每个检测单元中,通孔位于壳体与平板轴线相平行的位置,并且和平板的轴向出线孔是连在一起的,一个金属材质的质量块将2 片压电陶瓷片连在一起,并紧密的焊接在一起成为了一个整体。2 个压电陶瓷在每个检测单元安装时都具有上下相等的受压力,而且在制作工艺上这2 个压电陶瓷片是要完全一致且对称的,因此可以保证这2 个压电陶瓷在被相等的压力作用时能够产生相等的电荷。
这种结构形式对于振动干扰噪声有很强的抑制作用,因此利用该结构的涡街流量传感器(悬浮差动式)对于减弱在旋涡的上升力方向的振动性影响是非常有帮助的,同时对于在旋涡的上升力方向的平面范围内且与之垂直的振动干扰噪声也有很好的排除作用。
由于各种振动和脉动所引发的噪声干扰使压电陶瓷片的两侧作用力相同,所以引发了这两边的压电陶瓷片会产生数量相当的电荷。悬浮差动式的结构可以使两侧的压电陶瓷片接收到的干扰信号互相抵消,即有效的除去3 个方向的振动干扰噪声。
综上所述,采用悬浮差动式涡街流量传感器可以很好的消除垂直于旋涡上升力方向内的二维平面的振动干扰,同时可以抑制位于旋涡上升力方向的振动性干扰。
2.2 传感器的实验验证
文中需要对安装传感器的位置进行实验,以此来确保有较好的抑制干扰噪声的能力,并且使电荷信号在被旋涡触发时达到zui大。如图2 所示,该曲线展现的是测量发射信号的幅度与旋涡发生体的迎流面和旋涡发生体之间的距离D1 间的实验关系。图中的横坐标表示的是距离D1,纵坐标表示的是差压信号,该信号是被电荷放大器放大后测得的(流量都为70 m3/h)。
从实验关系图中可以看出,要想使信号的幅值能达到zui强,则距离D1 要取值为55~70 mm 之间。通过综合考虑信号的幅度强度、信号的稳定性在时域和频域及很多的实验数据,本文中的设计方案确定了距离D1 的值为65 mm,当采用此值时可以保证安装传感器的位置能有较好的性能。

3、硬件系统设计
由于要兼顾三路不同的输入信号:流量信号、温度信号和压力信号。由于信号形式不同所以本系统需要分别处理不同信号的模拟通道。整个系统的硬件框图如图3 所示。

从图中可以看出,本系统进行了2 次电源的转换:
首先为了实现24 V 向5 V 的转换,采用了一片DC/DC 转换器来完成工作;其次为了实现5 V 向3.3 V 的转换,选用了TI 公司的TPS7233 芯片来实现功能。
经过综合比较选用了2407A 作为本系统的处理器,它是DSP 的应用芯片之一为TI 公司设计的2000 系列产品。2000 系列的DSP 内核采用改进的哈佛结构,具有8 组总线:1 个程序总线、3 个数据总线和4 个地址总线,将程序空间和数据空间分离,独立寻址,可以同时访问程序空间和数据,可以进行多级的流水线操作。
三路不同的模拟通道的目的是使被A/D 转换器离散量化成数字信号的误差为zui小误差,该信号要确实符合数模转的要求。同时能够进行电路处理对从传感器输出的比较弱的信号。
键盘共有四键,分别实现:设定、移位、递增和确认功能,为非编码键盘设计其电路如图4 所示。

LCD 和时钟芯片均是5 V 供电,本系统为了实现5V 向3.3 V 电平的转换,选择了16 位的电平转换器来进行转换。考虑到液晶显示器(LCD)可以工作于夜间,并能显示清晰,可以安装在任意地方,光线足够强。因此选择了一种全屏幕图形点阵方式的液晶显示器HS12864,该液晶显示器的点阵大小为64×128,并且内部带有自己的控制器、驱动器和LED 背光板可以实现上述功能。
数/模转换器模块是一块串行芯片,并要能通过2407A 的SPI(同步串行接口)实现对数/模转换器的控制和数据发送,因此选用的是AD420。

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