[導(dǎo)讀] 針對(duì)渦街流量計(jì)低流速的信號(hào)噪聲問(wèn)題，介紹基于MSP430數(shù)字渦街流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探討、研究噪聲信號(hào)的處理。采用精度較高的稱重法在流量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)數(shù)字渦街流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用MSP430功能強(qiáng)大的微處理器及高速運(yùn)算能力，有效地?cái)U(kuò)大渦街的量程比，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦街流量計(jì)的信號(hào)分析、處理，提高對(duì)噪聲的抗干擾能力。
1 引言
渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，渦街流量計(jì)也存在著明顯的弱點(diǎn)。在低流速條件下，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)；給低流速條件下的測(cè)量造成了很大的困難；且容易受到振動(dòng)噪聲的干擾。傳統(tǒng)的渦街流量計(jì)的信號(hào)處理方法采用的是模擬電路，解決不了低流速條件下的信號(hào)處理問(wèn)題，量程比只能達(dá)到1：10，限制了渦街流量計(jì)的使用。目前，關(guān)于渦街的抗震性及抗噪聲方面的研究取得了一些進(jìn)步[2，3]，本文正是利用MSP430強(qiáng)大的處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦街流量計(jì)的信號(hào)分析和處理，從而提高對(duì)噪聲的抗干擾能力，提高量程比。
2 數(shù)字渦街流量計(jì)的工作原理
2.1 渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象
渦街流量計(jì)是利用流體振動(dòng)原理來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量。即在特定的流動(dòng)條件下，流體一部分動(dòng)能產(chǎn)生流體振動(dòng)，且振動(dòng)頻率與流體的流速（或流量）有一定關(guān)系。其測(cè)量原理為：把一個(gè)非流體線性阻流體（也稱為旋渦發(fā)生體）豎直插入管道中，隨著流體繞過(guò)阻流體流動(dòng)，產(chǎn)生附層分離現(xiàn)象，形成有規(guī)則的旋渦列，左右兩側(cè)的旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，這種旋渦稱卡門(mén)渦街[4]，如圖1所示。
圖1 卡門(mén)渦街現(xiàn)象
2.2 渦街流量信號(hào)的組成
從處理電路出來(lái)的信號(hào)，形式一般都是弱電壓或弱電流。這個(gè)信號(hào)是雜亂無(wú)規(guī)則的，這是因?yàn)樾盘?hào)中既包括了從渦街傳感器所測(cè)得的有用信號(hào)，又包括了各種無(wú)用的噪聲干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)主要包括電磁場(chǎng)干擾信號(hào)、管道振動(dòng)的干擾信號(hào)。
雖然理想的渦街信號(hào)經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個(gè)規(guī)則的正弦波信號(hào)，但由于不可避免地疊加了各種噪聲信號(hào)，所以得到的信號(hào)看起來(lái)是雜亂無(wú)章的。圖2則表示了一個(gè)典型的受干擾的渦街信號(hào)。因此有用信號(hào)的提取顯得尤為重要[5]。
圖2 受干擾的渦街信號(hào)
2.3 渦街信號(hào)的測(cè)量
根據(jù)卡門(mén)渦街原理，單側(cè)漩渦頻率f和漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速u(mài)1有如下關(guān)系：
（1）
式中：d——漩渦發(fā)生體的迎流面的最大寬度；Sr——斯特勞哈爾數(shù)，無(wú)量綱。
在以d為特征尺寸的雷諾數(shù)Re的一定范圍內(nèi)，Sr為常數(shù)。
當(dāng)柱體的形狀、尺寸確定之后，就可根據(jù)式（1）通過(guò)測(cè)定f來(lái)測(cè)定漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流體流速u(mài)1。
根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性原理可得：
Au=A1u1渦 （2）
式中：A1——漩渦發(fā)生體兩側(cè)流通面積，m2；A——管道流通面積，m2；u——管道截面上流體平均流速，m/s。
定義截面比，則可得，則瞬時(shí)體積流量為：
（3）
式中：D——管道內(nèi)徑，m。
對(duì)于圓柱體旋渦發(fā)生體，可以計(jì)算出：
（4）
則渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)為：
（5）
式中：qv——通過(guò)流量計(jì)的體積流量，L/s；f——流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率，Hz；K——渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，1/L。
以上的推理是在斯特勞哈爾數(shù)Sr為常數(shù)的基礎(chǔ)上的。儀表系數(shù)K僅與漩渦發(fā)生體的幾何參數(shù)有關(guān)系，而與流體的物性和組分無(wú)關(guān)[4]。
渦街流量計(jì)可以測(cè)量液體流量，也可以測(cè)量氣體流量。流量特性曲線不受液體壓力、溫度、黏度、密度和成分的影響，而且水的特性與空氣的特性基本一致，這也為渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)上的標(biāo)定和使用帶來(lái)了方便。
3 基于MSP430數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)分析
3.1 MSP430數(shù)字渦街流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)
圖3所示為一數(shù)字渦街流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)圖，采用了以MSP430單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心的單CPU硬件結(jié)構(gòu)。儀表的整體結(jié)構(gòu)可以分為對(duì)壓電傳感器輸出的渦街信號(hào)進(jìn)行處理的前置放大器電路、單片機(jī)采集、信號(hào)處理和輸出電路。
圖3 MSP430數(shù)字渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)
檢測(cè)渦街頻率信號(hào)采用應(yīng)力式檢測(cè)方式。把膜片和壓電晶體元件作為檢測(cè)元件置于旋渦發(fā)生體后，當(dāng)旋渦在旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后，就會(huì)作用在檢測(cè)元件上面產(chǎn)生一個(gè)交替的升力，該升力的頻率與旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦頻率相同，這個(gè)升力加上管道噪聲和流體振動(dòng)噪聲同時(shí)作用在檢測(cè)元件上，使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，應(yīng)力差作用于膜片上，使檢測(cè)元件內(nèi)的壓電晶體元件的誘導(dǎo)電荷發(fā)生變化，將電荷變化量引出，它是微弱的含有各種噪聲的電荷信號(hào)（幅值在幾毫伏左右），此即壓電傳感頭的輸出信號(hào)，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號(hào)。壓力傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理才能輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
模擬信號(hào)處理通過(guò)以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路實(shí)現(xiàn)：¹通過(guò)輸入級(jí)的電荷放大器將流量計(jì)壓電檢測(cè)元件輸出的交變電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；º通過(guò)程控放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷放大器輸出信號(hào)的程控放大；»通過(guò)模擬低通濾波器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）之前的濾波。
3.2 數(shù)字渦街信號(hào)的前置放大電路分析
前置放大電路的任務(wù)是將檢測(cè)元件提供的微弱電信號(hào)處理成有效代表渦街頻率的脈沖信號(hào)[6]。前置放大電路主要由電荷放大器、低通濾波器、限幅器和施密特觸發(fā)整形器四部分構(gòu)成，而具體的硬件電路則是由以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。本文研究的數(shù)字渦街流量計(jì)選用壓電式渦街傳感頭，此壓電傳感頭的輸出信號(hào)，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號(hào)。
由于壓電傳感器輸出的電信號(hào)是很微弱的電荷信號(hào)，且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，必須放大傳感器輸出的微弱信號(hào)，并將壓電式傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。而電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)以電容為反饋元件的具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，不同于一般電壓放大器的是，其輸入信號(hào)是電荷，輸出信號(hào)為電壓。圖4為電荷放大器的電路圖。
圖4 電荷放大器的電路圖
影響前置放大器電路正常工作的主要來(lái)自周?chē)碾姶艌?chǎng)干擾，可分為高頻電磁輻射干擾和低頻電磁干擾。高頻電磁輻射干擾大多來(lái)自空間電磁場(chǎng)的作用，因頻率較高且與渦街的頻帶（一般為幾赫茲和幾千赫茲）相差較遠(yuǎn)，可以通過(guò)金屬防護(hù)罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除。至于低頻電磁干擾（50Hz），由于其頻率處于渦街信號(hào)的頻帶之內(nèi)，金屬外殼無(wú)法防御，故消除低頻電磁干擾是前置放大電路的關(guān)鍵。
為了衰減信號(hào)中的高頻成分，在電路中加入了低通濾波器。為了保證流量信號(hào)在低頻、高頻都有高的信噪比，都有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此，要把低通濾波器的截止頻率定在低頻段，來(lái)濾除普遍存在的50Hz的工頻干擾、流場(chǎng)的低頻擺動(dòng)噪聲等低頻干擾噪聲，保證在小流量情況下，仍有較高的信噪比，進(jìn)行正確的測(cè)量。但是，截止頻率也不能定的很小，否則會(huì)對(duì)高頻信號(hào)衰減得過(guò)大，導(dǎo)致高頻段的信噪比降低，影響測(cè)量。因此，必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)慕刂诡l率；當(dāng)然，不同口徑和不同介質(zhì)（氣、液）渦街的截止頻率也會(huì)不同。
施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它其實(shí)是具有雙門(mén)限值的反相輸入遲滯比較器，由于對(duì)輸入輸出信號(hào)具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產(chǎn)生的振蕩。施密特觸發(fā)器在性能上有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：第一，輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時(shí)的轉(zhuǎn)換電平不同；第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)，不僅可以將邊緣變化緩慢的信號(hào)波形整形為邊緣陡峭的矩形波，而且可以將疊加于矩形脈沖高信號(hào)、低電平上的噪聲有效地清除。
3.3 MSP430單片機(jī)及其外圍電路分析
數(shù)字渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)主要利用了MSP430內(nèi)部的12位A/D對(duì)前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號(hào)進(jìn)行采樣；利用MSP430內(nèi)部的ROM作為存儲(chǔ)DSP程序的外部FlashROM；利用MSP430豐富的I/O和中斷端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、液晶驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)管理、累計(jì)存儲(chǔ)和脈沖輸出等。圖5所示為MSP430單片機(jī)外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖5 單片機(jī)外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖
渦街信號(hào)采集電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)和方波信號(hào)的采集，對(duì)正弦信號(hào)的采集主要利用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行，而利用具有中斷功能的I/O端口進(jìn)行方波信號(hào)的采集；HPI接口電路主要是用于與處理器進(jìn)行通信，單片機(jī)上則利用其接口進(jìn)行信息的通信；液晶顯示電路外接顯示屏完成顯示的功能，用于顯示測(cè)量的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等；脈沖輸出電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，有別于液晶顯示輸出；JTAG接口則為了調(diào)試程序等用來(lái)調(diào)試單片機(jī)的程序。
4 數(shù)字渦街流量計(jì)水流量實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
圖6為水流量實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。實(shí)驗(yàn)采用精度較高的稱重法進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)分析數(shù)字渦街流量計(jì)的儀表性能，并結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法，分析數(shù)字渦街流量計(jì)在信號(hào)處理上具有的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)采用50mm口徑的標(biāo)準(zhǔn)表管路，300kg測(cè)量上限的電子秤。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，繪制出重復(fù)性與測(cè)量點(diǎn)的曲線及儀表系數(shù)與測(cè)量點(diǎn)的曲線，如圖7、圖8所示，從而更好地分析數(shù)字渦街流量計(jì)的性能。
圖6 水流量實(shí)驗(yàn)裝置原理圖
圖7 數(shù)字渦街流量計(jì)的重復(fù)性曲線
圖8 數(shù)字渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)曲線
由于低速下的渦街信號(hào)十分復(fù)雜，干擾信號(hào)甚至能淹沒(méi)了有用信號(hào)，采用普通硬件濾波的方法很難提取有用信號(hào)，但數(shù)字渦街流量計(jì)采用了頻譜分析的方法，將實(shí)際的渦街信號(hào)做FFT變換，找到頻譜峰最高的峰值點(diǎn)，將該點(diǎn)的頻率作為渦街頻率的測(cè)量值，則可有效得出渦街有用的頻率。因此與傳統(tǒng)的模擬渦街流量計(jì)相比，能更好地濾除噪聲信號(hào)，大大擴(kuò)展了流量下限。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖線也可以發(fā)現(xiàn)，基于MSP430技術(shù)，采用了FFT算法的數(shù)字渦街流量計(jì)，在小流量時(shí)仍然具有很好的重復(fù)性以及比較穩(wěn)定的儀表系數(shù)，表明了數(shù)字處理方法對(duì)擴(kuò)展渦街流量計(jì)的測(cè)量下限具有很好的效果。
5 結(jié)束語(yǔ)
由于MSP430是一種功能強(qiáng)大的微處理器，具有高速運(yùn)算能力及功能豐富的各種模塊，因此給信號(hào)處理的各種復(fù)雜的算法提供了硬件條件。隨著MSP430等處理器的發(fā)展與推廣，數(shù)字處理能力的不斷提高及各種算法的發(fā)展，數(shù)字型渦街流量計(jì)正獲得飛速發(fā)展。
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