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智能数字涡街流量计开发

    我国从20世纪70代年初开始研发涡街流量计,到20世纪80代年形成以应力式涡街流量计为主导的产品群,并广泛应用工业流量测量。从20世纪90年代初期开始,涡街流量计的发展放慢了步伐。由于对这种新型仪表的生产、设计、选型、应用方面的经验不足,面对各行各业千差万别的现场和测量对象,有些问题逐步暴露出来。例如:适用对象与测量范围问题、量程与测量管径的选择问题、安装影响问题、应力式涡街流量计抗现场干扰(包括管道振动和电磁干扰)问题,涡街流量变送器与自控系统的适配问题等等。这些问题导致涡街流量计在部分现场应用不能取得满意的效果,用户有意见,设计单位有苦衷,生产企业疲于应急。经过多年的市场调研和对国内外技术的跟踪,我们提出了改进涡街信号处理方案,在常规的模拟信号处理方法的基础上,结合数字信号处理方法,运用频谱、功率谱技术,对涡街流量传感器输出的信号进行有效甄别,剔除混杂的干扰信号,从而提高仪表抗干扰的能力和拓展测量范围。
    目前,涡街流量计正朝着一体化、智能化、数字化的方向发展。国内市场上还未见到基于数字信号处理方式的同类产品,因此,该技术的成功开发应用可使涡街流量计技术水平上有显著的提升,市场份额也将得到大幅提高。
    重庆耐德正奇流量仪表有限公司、重庆工业自动化仪表研究所、合肥工业大学合作开发具有抗振功能的“DBLU型智能数字涡街流量计”系列产品,于2009年完成基于MSP430处理器为平台的低功耗两线制智能数字涡街样机,2010年底完成了样机试制,投入批量生产。这次产、学、研合作模式的成功,也具有较大的社会意义。
    1 应用数字信号处理方法处理涡街传感器输出信号
    针对涡街流量计存在的易受现场振动干扰影响,无法保证现场测量精度和量程比受限、不能测量小流量这两个关键技术问题,提出采用数字信号处理方法从含有噪声的涡街流量传感器输出信号中提取流量信息。分别提出采用基于FFT的功率谱分析方法、自适应陷波滤波方法和基于小波变换的方法,去处理涡街流量传感器输出信号。
    过程工业更多地需要两线制、低功耗的仪表。针对这一情况,我们提出采用低功耗单片机MSP430F1611做少点数FFT结合硬件模拟滤波器组的信号处理方式,来实现涡街信号的处理,并采取一系列措施,保证测量精度。再设计有效的电流管理和电流输出模块,研制出低功耗、两线制数字涡街流量计,既能从噪声中提取涡街信号、保证现场测量精度、扩展量程比,又能做到低功耗和两线制工作。
    2 研制基于MCU的低功耗两线制数字涡街流量计
    由于数字信号处理算法比较复杂,需要进行大量的运算,而仪表有实时性的要求,所以,必须采用DSP芯片来完成算法的运算任务。但是,DSP芯片的功耗大,一般工作电流都在100mA以上,不能满足过程仪表两线制输出4~20mA电流的要求。为此,我们用低功耗单片机MSP430F1611做少点数FFT结合硬件模拟滤波器组的信号处理方式,来实现涡街信号的处理,再设计有效的电流管理和电流输出模块,既能从噪声中提取涡街信号、保证现场测量精度、扩展量程比,又能做到低功耗和两线制工作。
    2.1 硬件开发
    采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换(FFT),实现周期图谱分析,确定涡街信号的频率值。设计一组硬件带通滤波器,其通带覆盖涡街信号所在的频带,根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器,进行最佳滤波,最大限度地消除各种谐波和现场噪声对测量的影响,提高测量精度。采用数字电位器和运算放大器组成程控放大器,通过峰值检测确定涡街信号的幅值,调整程控放大器的放大倍数,使信号的幅值达到最佳范围,适应大流量和小流量的测量的需要,扩展量程比。选用低功耗的单片机芯片,并设计与之配套的输出电路和电源管理电路,保证仪表静态工作电流小于4mA,输出电流为4~20mA,实现两线制供电的工作方式。
    该系统的硬件框图如图1所示,包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4~20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位模数转换器。
    压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号,由于幅值非常小,需再经过一级固定的电压放大器和一级程控放大器。放大后的信号经过低通滤波器,滤除信号中的高频干扰,然后分为2路。第1路信号由电压跟随器(缓冲器)输出,被单片机自带的ADC采样和转换,变成数字量。单片机对信号进行少点数的FFT,做周期图谱分析,得到信号的频率值,来选择带通滤波器组的通道。第2路信号送至带通滤波器组,进行滤波,由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号。经过带通滤波器组的输出信号分为2路。第1路送至峰值检测电路,峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ADC的输入端,单片机对信号的峰值进行采样和转换,并根据峰值来调整程控放大器的放大倍数,使信号的幅值达到最佳范围。第2路送至由比较器组成的整形电路进行整形,整形后的信号送至单片机的定时器输入端,采用捕获方式,利用多周期等精度方法进行计数。单片机根据计数结果,将流量信息显示在LCD上,并通过自身的DAC转换,送至4~20mA输出与电源管理电路,经过V/I转换成4~20mA电流信号输出。