超声涡街测量技术在低流速气体下的应用

　　1　基本原理

　　涡街流量计的工作原理是基于流体力学中的卡门(Karman)涡街原理。在垂直于流体的流向上安放一根非流线型旋涡发生体,当流速达到一定时,流体会在发生体两侧交替地分离释放出两列规则交错排列的旋涡,这种旋涡叫做卡曼涡街,在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速,利用检测元件测出旋涡频率就可以测出流体的流量。利用超声波调制涡街信号,在放大、带通滤波和解调后,测出信号频率是超声涡街技术中一种测量流量的方法。

　　自相关滤波法应用了相关性原理,其基本内容是:信号有规律,后续信号与早先信号是有关联的,而噪声则是随机的,后续信号与噪声是无关的,不同时刻的噪声之间也是没有关联的,因此,可以利用信号自身存在的规律性(相关性)来寻找信号,达到去除噪声的目的。

　　自相关函数是建立随机过程一个时刻的数据值与另一个时刻数据值之间的依赖关系。定义如下

　　Rxx(τ)值越大,则x(t)与x(t+τ)越相似。用波形描述时,则表示为一个时刻的波形与另一个时间坐标移动了τ之后波形间的相似程度。

　　快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换(DFT)的一种算法,它能减少运算次数。FFT首先是将输入序列按倒位序的次序存储,然后计算变换输出。基本的思想是将长度为N的变换转换为两个长度为N/2的变换的计算。按照这个原理,不同的序列分解方法得到不同的实现方法。典型的可以分为按时间抽选和按频率抽选两类。

　　图1为超声涡街装置示意图,本实验采用33kHz的超声波传感器调制涡街信号,管道直径为100mm,旋涡发生体选用的是三角形发生体。图中1、2为超声波传感器位置, 3为旋涡发生体位置,并定义传感器与发生体的距离为d。

　　发生体与传感器的距离d从2cm至17cm,每隔1cm取一点,在每点上做25次随机实验,纪录每个点上气体流速为0.29m/s时,得到正确频率的概率。图2为超声传感器接收端硬件电路框图。接收到的超声信号经过放大电路、33kHz带通滤波电路和低通滤波电路后,传送到单片机C8051F005的AD转换输入端AIN0引脚上,将转换后的数字信号通过串行通信传递到上位机上进行数据处理。发射端超声波传感器电路主要由33kHz脉冲产生电路和反向器组成。

　　为了能够更直观地看到自相关和FFT滤波效果,本实验采用上位机进行数据处理,通过VisualBasic 6.0的MSComm控件来实现通信。当气体流过旋涡发生体时,流体在旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,在低流速下,旋涡分离的频率低于10Hz,而且旋涡分离频率正比于管道内的平均流速。由超声波传感器产生的33kHz超声波能够调制涡街信号。调制后的信号经过放大,并依次进行33kHz的带通滤波和500Hz的低通滤波后,得到的信号的频率即为旋涡分离频率。滤波后的信号经过C8051F005进行A/D采集后,通过串口发送到上位机,然后由上位机进行相应的数据处理。