[導讀] 當流體中安放一個非流線型旋渦發(fā)生體時，流體將會在發(fā)生體兩側(cè)交替分離，并釋放出兩串規(guī)則的交錯排列的旋渦。在一定范圍內(nèi)，旋渦分離頻率與流量成正比。
研究背景與意義
1.渦街流量計概述
當流體中安放一個非流線型旋渦發(fā)生體時，流體將會在發(fā)生體兩側(cè)交替分離，并釋放出兩串規(guī)則的交錯排列的旋渦。在一定范圍內(nèi)，旋渦分離頻率與流量成正比。根據(jù)這種原理實現(xiàn)流量測量的流量計叫做渦街流量計。渦街流量計具有壓力損失小,量程寬,精度高，構(gòu)造簡單牢固，維護方便，安裝費用低，使用壽命長，適用范圍廣等優(yōu)點，因此被廣泛應用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量。
2.渦街流量計的研究現(xiàn)狀
盡管渦街流量計具有眾多優(yōu)點，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用。但現(xiàn)有的渦街流量計仍存在一些問題，影響到它的進一步推廣應用。例如，渦街流量計下限量程高，抗機械振動干擾能力差，在線參數(shù)修改不便。因此，解決渦街流量計小流量測量，抗干擾等問題，對于改善現(xiàn)有渦街流量計的測量精度與可靠性具有重大意義。同時，優(yōu)化渦街流量計的操作界面能極大方便用戶的使用。
3.渦街流量計研究的意義
正如上文所述，渦街流量計具有諸多優(yōu)點，同時也有許多亟待解決的問題。我們的研究將針對解決小流量測量，抗干擾以及優(yōu)化操作界面這三個問題展開。通過引入溫度、壓力補償，數(shù)字信號處理，以及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)确椒?，解決長期阻礙渦街流量計發(fā)展應用的瓶頸問題，進一步提高渦街流量計的可靠性，精確性與實用性，推動渦街流量計在工業(yè)中的應用。
課題研究的特色
2.1 創(chuàng)新性
⑴當前的渦街流量計沒有考慮溫度、壓力等環(huán)境因素對流量測量的影響，測量精度無法提高。我們的研究將增加溫度、壓力補償功能，使測量過程不受環(huán)境因素影響，結(jié)果更加準確可靠;
⑵由于當前的渦街流量計采用計數(shù)方式計算流速，因此，當流速較低時，計數(shù)脈沖信號減弱，造成小流量測量結(jié)果不準。我們的研究將使用軟硬件合成濾波的方法，提取并放大微弱的低流速信號，實現(xiàn)低流速的準確測量;
⑶當前的渦街流量計使用查表和線性擬合的方式計算流量，由于擬合誤差的存在，測量結(jié)果誤差較大。我們的研究將利用解析計算公式，并加入溫度壓力補償，實現(xiàn)流量的精確計算;
⑷當前的渦街流量計難以消除管道內(nèi)部的振動噪音，從而造成較大的測量誤差。我們的研究將應用數(shù)字傅里葉算法，消除渦街信號中的噪音成分，提高渦街流量計的抗干擾能力;
⑸通過增加USB數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的在線下載與測量參數(shù)的在線修改，使得流量計的使用更加方便靈活。
2.2 可實現(xiàn)性
⑴PIC32系列單片機的高速計算性能使得復雜數(shù)字信號處理和計算成為可能;
⑵PIC32系列單片機的豐富外設簡化了渦街流量計外部電路的設計，使得流量計體積更小，成本更低，可靠性更高;
⑶PIC32系列單片機的OTG模塊減少了USB數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的解析量，縮短了USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_發(fā)周期。
方案設計
3.1 硬件設計
整套系統(tǒng)由主機與從機兩部分組成。主機為現(xiàn)場儀表，具備流量測量、顯示以及數(shù)據(jù)記錄等功能。從機為手持管理儀表，使用者通過USB連接線，實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的管理。管理內(nèi)容包括測量數(shù)據(jù)的下載和測量參數(shù)的修改。具體硬件設計如下圖所示。
3.2 軟件設計
軟件程序由三部分組成。第一部分為啟動初始化程序，它完成渦街流量表的初始狀態(tài)設定。第二部分為測量主程序，它實現(xiàn)流量信號的采集，處理，計算與顯示。第三部分為USB數(shù)據(jù)傳輸中斷程序，它由按鍵觸發(fā)，實現(xiàn)主機與從機間的數(shù)據(jù)交換。
3.3 單片機選型
根據(jù)設計需求，所選單片機應具有以下基本配置：
⑴80MHz主頻;
⑵32位總線設計;
⑶32kB RAM空間;
⑷128kB Flash 存儲空間
⑸2路中斷信號通道
⑹4路A/D轉(zhuǎn)換通道;
⑺4路I/O轉(zhuǎn)換接口;
⑻USB OTG硬件解析模塊;
⑼1路D/A轉(zhuǎn)換通道。
因此，我們選擇PIC32MX440F128H及以上版本的單片機作為渦街流量計的處理芯片。