Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.121.4.621.3.087.92
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
SELECTION OF THE PARAMETERS OF ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION OUTPUT VORTEX FLOWMETERS
Лурье Михаил Семенович
д-р техн. наук, профессор m_o_l@rambler.ru
Фролов Александр Сергеевич
канд. техн. наук, доцент Frolov-a84@mail.ru
Лурье Ольга Михайловна
канд. техн. наук, доцент m_o_l@rambler.ru
ФГБОУ ВПО "Сибирский Государственный Технологический Университет", г. Красноярск
Аннотация: Рассмотрен вопрос выбора периода усреднения в процессе аналого-цифрового преобразования выходных сигналов вихревых расходомеров. Информация о расходе потока измеряемой среды заключена в частоте вихреобразования таких расходомеров. Но, поскольку частота вихреобразования подвержена флуктуациям, то необходим анализ диапазона этих флук-туаций, который позволяет правильно выбрать объем усреднения сигнала. Предложена методика оценки дополнительной погрешности, вызванной влиянием реальных условий эксплуатации в месте монтажа вихревого расходомера, основанная на изучении изменения текущего периода частоты вихреобразования. Ключевые слова: вихревой расходомер, выходной сигнал, диапазон усреднения, погрешность измерения, погрешность монтажа, снижение погрешности.
Lurje Mikhail S.
D. Sc. (Tech.), Professor m_o_l@rambler.ru
Frolov Alexandr S.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor Frolov-a84@mail.ru
Lurje Olga M.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor m_o_l@rambler.ru
Siberian State Technological University, Krasnoyarsk city
Abstract: The paper discusses the choice of the averaging period in the analog-to-digital conversion of the output signals of vortex flowmeters. Information about the flow rate of the medium lies in the frequency of vortex shedding flowmeters such. But, since the frequency of vortex shedding is subject to fluctuations, it is necessary to analyze the range of these fluctuations, which allows you to correctly choose the amount of signal averaging. In addition, the method of estimation of additional error caused by the influence of the actual operating conditions at the installation site of a vortex flow-meter, based on the study of changes in the current period shedding frequency.
Keywords: vortex flowmeter, output signal, range averaging, measurement error: error mounting; reduce uncertainty.
ВВЕДЕНИЕ
В основе работы вихревых расходомеров и счетчиков жидкости с телом обтекания (ТО) лежит известная [1] зависимость между скоростью движения потока жидкости V и частотой вихреобразования /
/ = (1)
где — число Струхаля; й — характеристический размер ТО.
Данная зависимость носит, строго говоря, статистический характер. Отдельные вихри могут об-
разовываться чуть раньше или позже, но в среднем указанная зависимость соблюдается с коэффициентом корреляции 0,995—0,997 [2]. Поэтому к частоте вихреобразования часто применяется термин "преобладающая" частота, подчеркивая тем самым ее вероятностный характер.
В работе [3] указывается, что для цилиндрических ТО 75 % дисперсии вихревого воздействия сосредоточено в полосе частот / ± 0,05/0, где / — средняя частота вихреобразования. Поэтому судить по отдельному периоду частоты вихреобра-зования о текущем расходе нельзя. Необходимо
Рис. 1. Измерение текущего периода частоты вихреобразования
производить некоторое усреднение при измерении частоты или периода вихреобразования. Объем такого усреднения зависит от величины девиации частоты вихреобразования. При больших ее значениях необходимо производить усреднение по большему количеству периодов.
В работе [4] показано, что с ростом числа Рей-нольдса (Яе) на больших расходах девиация частоты снижается, но спектр ее расширяется. При этом в работе [5] отмечается, что флуктуации преобладающей частоты снижаются по мере приближения к режиму закритического обтекания ТО (для данного ТО при Яе > 200 000). В закритичес-кой области начинается кавитационное обтекание ТО. В вихревых приборах данный режим не используется, но стабильность частоты вихреобра-зования, коэффициента сопротивления ТО или иного местного сопротивления используется в рас-ходометрии для задания расхода с помощью кави-тационных сопел.
ИЗМЕРЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРИОДА ЧАСТОТЫ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ
При аналого-цифровом преобразовании (АЦП) в микропроцессорном тракте расходомера измерение частоты вихреобразования, а точнее — ее периода, выполняется дискретно с частотой квантования внутреннего генератора микропроцессора. Обычно частота его выбирается низкой с целью снижения энергопотребления. Так, в вихревых счетчиках холодной воды "Фотон" она равна 256 Гц [6]. Поэтому, хотя сами флуктуации могут снижаться, но в силу дискретного принципа измерения периода реальная измеренная величина этих флуктуаций на больших расходах будет рас-
ти. Поэтому необходимо исследовать, как меняется измеренная величина периода частоты вихреобразования в реальном процессе.
Определение изменения частоты вихреобразования под действием случайных причин и в результате ее дискретного измерения проводилось путем непосредственного измерения периодов вихреобразования на погружном вихревом водосчетчике "Фотон" с диаметром условного прохода 80 мм.
Для этого оцифрованный сигнал с выхода приемника-преобразователя вихревых колебаний (ППВК) подвергался преобразованию в соответствии с алгоритмом, схема которого приведена на рис. 1.
Предварительно формировался файл сигнала с вычтенной постоянной составляющей (From Fail), равной
m
x0 = X x(k)/m,
k = 1
где m — число записей в файле по выражению U(k) = x(k) — Xq
для каждого k = 1, 2, ..., m.
Затем полученный сигнал подавался на полосовой пропускающий фильтр ППФ с частотой, настроенной на среднюю частоту вихреобразова-ния на данном расходе /q. Полоса пропускания фильтра A F выбиралась в зависимости от расхода Q, которому соответствует запись. Она равна
Qi
A F = 0,5/0 = 0,5Sh
3600Spa6d'
(2)
Кроме того, величина частоты вихреобразова-ния проверялась для каждого исследуемого расхода по спектру выходного напряжения ППВК.
Sensors & Systems • № 4.2015
4
Полученный синусоидальный сигнал обрабатывается нуль-органом НО. Он вырабатывает единичный сигнал всякий раз, когда входной сигнал пересекает ось времени снизу вверх. Полученные на выходе нуль-органа стробирующие импульсы подаются на вход установки в нуль счетчика импульсов R. На счетный вход S счетчика поступают импульсы с генератора опорной частоты Fg. Частота его была выбрана достаточно высокой (10 кГц) для увеличения точности измерения периода частоты вихреобразования. Импульс сброса подается на вход R счетчика через элемент задержки на период опорной частоты Tg. Это сделано для того, чтобы сформировавшееся число на выходе счетчика успело загрузиться в буфер перед очередным сбросом счетчика. Данная схема измеряет каждый период частоты вихреобразования. Число T(k), пропорциональное периоду, формируется в буфере и записывается в файл (To Fail) для последующего использования полученных данных
T(k) = Tk/Tg = 1/10-4...0,025/10-4 =
= 10 000...250, (5)
где Tk и Tg — периоды частоты вихреобразования и опорной частоты соответственно, с.
Таким образом, даже на максимальной частоте вихреобразования погрешность измерения периода составляла не более 0,4 %. Описанный алгоритм был реализован в программе Matlab с помощью встроенного в нее пакета DSP (Digital Signal Processing Blockset).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО ШАГА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
Исследовались записи работы преобразователя во всем рабочем диапазоне расходов. Для
удобства восприятия и практического использования результатов величина каждого периода пе-ресчитывалась в расход по соотношению
Q(k) = 3600 cSpa6d, .
' Sh T( k)
На рис. 2 приведен пример полученных мгновенных значений расходов в зависимости от номера периода (а) и соответствующая им гистограмма (б).
Пунктирной линией показана величина среднего расхода. Как видно, мгновенное значение расхода колеблется около среднего значения со значительным размахом. Эти колебания совершаются с дискретностью по амплитуде, определяемой частотой квантования. Действительно, при частоте квантования fKB измерение периода частоты вихреобразования TBHX будет происходить с шагом Т = 1/f^. Соответствующий квант, с которым будет происходить измерение расхода q, будет равен
q
Q
3600 T
= Qc T T
(2)
где УС — секундный расход, м/с; То = 1// — средний период частоты квантования, с.
Как следует из (2), минимальный относительный шаг измерения расхода с учетом выражения (1), составляет:
д = т- = - = 70 = = тбъЩ? .
Уе То а й
Таким образом, минимальный относительный шаг измерения расхода зависит от периода квантования АЦП при измерении напряжения, снимаемого с ППВК, формы ТО (его определяют параметры и й), режима течения (Яе) и вязкости среды.
Рис. 2. Измерения мгновенного расхода для Re = 3000
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
То обстоятельство, что мгновенный расход может измеряться только дискретно, приводит к большим скачкам его значения, которые могут превышать соответствующие физическим значениям девиации частоты вихреобразования. Поэтому важно определить два фактора. Во-первых, реальный размах вариаций расхода (периода) в процессе измерения. Это необходимо, чтобы сформировать окно фильтра на входе электронного блока прибора, который, отсекая помехи, не влиял бы на точность измерения. Во-вторых, нужно определить, какова точность полученных данных о расходе при таком методе измерения последнего.
Для решения первой задачи проанализируем полученные в предыдущем эксперименте данные о величине размаха мгновенного расхода. Полученные данные приведены на рис. 3.
Видим, что вначале, с ростом расхода (числа Яе), размах колебаний падает, как это следует из ранее приведенных физических данных. Но далее, ввиду увеличения дискретности измерения, размах изменения мгновенного значения расхода возрастает. Как следует из рис. 3, окно фильтра должно быть шириной ±(15...20) % от средней частоты.
Для решения второй задачи — оценки точности получаемых результатов приме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.