[導(dǎo)讀] 針對渦街流量計低流速的信號噪聲問題，介紹基于MSP430數(shù)字渦街流量計的實驗系統(tǒng)，探討、研究噪聲信號的處理。采用精度較高的稱重法在流量實驗標(biāo)準(zhǔn)裝置上對數(shù)字渦街流量計進(jìn)行標(biāo)定。實驗結(jié)果表明，運用MSP430功能強(qiáng)大的微處理器及高速運算能力，有效地擴(kuò)大渦街的量程比，實現(xiàn)對渦街流量計的信號分析、處理，提高對噪聲的抗干擾能力。
1 引言
渦街流量計因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等諸多優(yōu)點，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，渦街流量計也存在著明顯的弱點。在低流速條件下，渦街信號的信噪比很低，有用信號幾乎被噪聲淹沒；給低流速條件下的測量造成了很大的困難；且容易受到振動噪聲的干擾。傳統(tǒng)的渦街流量計的信號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處理問題，量程比只能達(dá)到1：10，限制了渦街流量計的使用。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，實現(xiàn)對渦街流量計的信號分析和處理，從而提高對噪聲的抗干擾能力，提高量程比。
2 數(shù)字渦街流量計的工作原理
2.1 渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象
渦街流量計是利用流體振動原理來進(jìn)行流量測量。即在特定的流動條件下，流體一部分動能產(chǎn)生流體振動，且振動頻率與流體的流速（或流量）有一定關(guān)系。其測量原理為：把一個非流體線性阻流體（也稱為旋渦發(fā)生體）豎直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，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，這種旋渦稱卡門渦街[4]，如圖1所示。
圖1 卡門渦街現(xiàn)象
2.2 渦街流量信號的組成
從處理電路出來的信號，形式一般都是弱電壓或弱電流。這個信號是雜亂無規(guī)則的，這是因為信號中既包括了從渦街傳感器所測得的有用信號，又包括了各種無用的噪聲干擾信號，這些干擾信號主要包括電磁場干擾信號、管道振動的干擾信號。
雖然理想的渦街信號經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個規(guī)則的正弦波信號，但由于不可避免地疊加了各種噪聲信號，所以得到的信號看起來是雜亂無章的。圖2則表示了一個典型的受干擾的渦街信號。因此有用信號的提取顯得尤為重要[5]。
圖2 受干擾的渦街信號
2.3 渦街信號的測量
根據(jù)卡門渦街原理，單側(cè)漩渦頻率f和漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速u1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）通過測定f來測定漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流體流速u1。
根據(jù)流體流動的連續(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，則瞬時體積流量為：
（3）
式中：D——管道內(nèi)徑，m。
對于圓柱體旋渦發(fā)生體，可以計算出：
（4）
則渦街流量計的儀表系數(shù)為：
（5）
式中：qv——通過流量計的體積流量，L/s；f——流量計輸出的信號頻率，Hz；K——渦街流量計的儀表系數(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關(guān)[4]。
渦街流量計可以測量液體流量，也可以測量氣體流量。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，這也為渦街流量計在不同介質(zhì)上的標(biāo)定和使用帶來了方便。
3 基于MSP430數(shù)字渦街流量計的硬件結(jié)構(gòu)分析
3.1 MSP430數(shù)字渦街流量計的整體結(jié)構(gòu)
圖3所示為一數(shù)字渦街流量計的整體結(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)可以分為對壓電傳感器輸出的渦街信號進(jìn)行處理的前置放大器電路、單片機(jī)采集、信號處理和輸出電路。
圖3 MSP430數(shù)字渦街流量計的結(jié)構(gòu)
檢測渦街頻率信號采用應(yīng)力式檢測方式。把膜片和壓電晶體元件作為檢測元件置于旋渦發(fā)生體后，當(dāng)旋渦在旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后，就會作用在檢測元件上面產(chǎn)生一個交替的升力，該升力的頻率與旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦頻率相同，這個升力加上管道噪聲和流體振動噪聲同時作用在檢測元件上，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（幅值在幾毫伏左右），此即壓電傳感頭的輸出信號，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號。壓力傳感器的輸出信號要經(jīng)過模擬信號處理才能輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理。
模擬信號處理通過以運算放大器為主體的模擬電路實現(xiàn)：¹通過輸入級的電荷放大器將流量計壓電檢測元件輸出的交變電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；º通過程控放大器實現(xiàn)對電荷放大器輸出信號的程控放大；»通過模擬低通濾波器實現(xiàn)了信號ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）之前的濾波。
3.2 數(shù)字渦街信號的前置放大電路分析
前置放大電路的任務(wù)是將檢測元件提供的微弱電信號處理成有效代表渦街頻率的脈沖信號[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算放大器為主體的模擬電路來實現(xiàn)[2]。本文研究的數(shù)字渦街流量計選用壓電式渦街傳感頭，此壓電傳感頭的輸出信號，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號。
由于壓電傳感器輸出的電信號是很微弱的電荷信號，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，并將壓電式傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。而電荷放大器實際上是一個以電容為反饋元件的具有深度負(fù)反饋的高增益運算放大器，不同于一般電壓放大器的是，其輸入信號是電荷，輸出信號為電壓。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自周圍的電磁場干擾，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自空間電磁場的作用，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的頻帶之內(nèi)，金屬外殼無法防御，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，來濾除普遍存在的50Hz的工頻干擾、流場的低頻擺動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)行正確的測量。但是，截止頻率也不能定的很小，否則會對高頻信號衰減得過大，導(dǎo)致高頻段的信噪比降低，影響測量。因此，必須選擇一個適當(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，它其實是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對輸入輸出信號具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產(chǎn)生的振蕩。施密特觸發(fā)器在性能上有兩個重要的特點：第一，輸入信號從低電平上升時的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時的轉(zhuǎn)換電平不同；第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。利用這兩個特點，不僅可以將邊緣變化緩慢的信號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、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)字渦街流量計信號處理系統(tǒng)主要利用了MSP430內(nèi)部的12位A/D對前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號進(jìn)行采樣；利用MSP430內(nèi)部的ROM作為存儲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、鍵盤管理、累計存儲和脈沖輸出等。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
渦街信號采集電路主要實現(xiàn)對正弦信號和方波信號的采集，對正弦信號的采集主要利用內(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，用于顯示測量的瞬時流量和累計流量等；脈沖輸出電路主要用來實現(xiàn)脈沖輸出，有別于液晶顯示輸出；JTAG接口則為了調(diào)試程序等用來調(diào)試單片機(jī)的程序。
4 數(shù)字渦街流量計水流量實驗及實驗數(shù)據(jù)分析
圖6為水流量實驗裝置原理圖。實驗采用精度較高的稱重法進(jìn)行標(biāo)定，通過分析數(shù)字渦街流量計的儀表性能，并結(jié)合硬件設(shè)計和信號處理算法，分析數(shù)字渦街流量計在信號處理上具有的優(yōu)勢。實驗采用50mm口徑的標(biāo)準(zhǔn)表管路，300kg測量上限的電子秤。經(jīng)過實驗，繪制出重復(fù)性與測量點的曲線及儀表系數(shù)與測量點的曲線，如圖7、圖8所示，從而更好地分析數(shù)字渦街流量計的性能。
圖6 水流量實驗裝置原理圖
圖7 數(shù)字渦街流量計的重復(fù)性曲線
圖8 數(shù)字渦街流量計的儀表系數(shù)曲線
由于低速下的渦街信號十分復(fù)雜，干擾信號甚至能淹沒了有用信號，采用普通硬件濾波的方法很難提取有用信號，但數(shù)字渦街流量計采用了頻譜分析的方法，將實際的渦街信號做FFT變換，找到頻譜峰最高的峰值點，將該點的頻率作為渦街頻率的測量值，則可有效得出渦街有用的頻率。因此與傳統(tǒng)的模擬渦街流量計相比，能更好地濾除噪聲信號，大大擴(kuò)展了流量下限。
通過實驗數(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，在小流量時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)字處理方法對擴(kuò)展渦街流量計的測量下限具有很好的效果。
5 結(jié)束語
由于MSP430是一種功能強(qiáng)大的微處理器，具有高速運算能力及功能豐富的各種模塊，因此給信號處理的各種復(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)字型渦街流量計正獲得飛速發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]張濤，段瑞峰，孫宏軍.基于雙核技術(shù)的數(shù)字渦街流量計信號處理系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2004，31（6）：71-74.
[2]薛潤林，張勇，劉玉霞.渦街流量計防振措施的探討[J].化工自動化及儀表，2001，28（3）：69-72.
[3]黃泳梅，張宏建，胡赤鷹，等.用簡單整系數(shù)濾波器處理渦街信號的方法[J].化工自動化及儀表，2002，29（6）：55-57.
[4]王華祥.自動檢測技術(shù)[M].天津：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：204-205.
[5]邢娟.脈沖輸出型數(shù)字渦街流量計的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.