渦街流量計(jì)智能顯示的開發(fā)設(shè)計(jì)
我國(guó)從20世紀(jì)70代年初開始研發(fā)渦街流量計(jì)，到20世紀(jì)80代年形成以應(yīng)力式渦街流量計(jì)為主導(dǎo)的產(chǎn)品群，并廣泛應(yīng)用工業(yè)流量測(cè)量。從20世紀(jì)90年代初期開始，渦街流量計(jì)的發(fā)展放慢了步伐。由于對(duì)這種新型儀表的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、選型、應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)不足，面對(duì)各行各業(yè)千差萬別的現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)量對(duì)象，有些問題逐步暴露出來。例如：適用對(duì)象與測(cè)量范圍問題、量程與測(cè)量管徑的選擇問題、安裝影響問題、應(yīng)力式渦街流量計(jì)抗現(xiàn)場(chǎng)干擾（包括管道振動(dòng)和電磁干擾）問題，渦街流量變送器與自控系統(tǒng)的適配問題等等。這些問題導(dǎo)致渦街流量計(jì)在部分現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不能取得滿意的效果，用戶有意見，設(shè)計(jì)單位有苦衷，生產(chǎn)企業(yè)疲于應(yīng)急。
經(jīng)過多年的市場(chǎng)調(diào)研和對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)的跟蹤，我們提出了改進(jìn)渦街信號(hào)處理方案，在常規(guī)的模擬信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理方法，運(yùn)用頻譜、功率譜技術(shù)，對(duì)渦街流量傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行有效甄別，剔除混雜的干擾信號(hào)，從而提高儀表抗干擾的能力和拓展測(cè)量范圍。
目前，渦街流量計(jì)正朝著一體化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還未見到基于數(shù)字信號(hào)處理方式的同類產(chǎn)品，因此，該技術(shù)的成功開發(fā)應(yīng)用可使渦街流量計(jì)技術(shù)水平上有顯著的提升，*也將得到大幅提高。
1、應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理方法處理渦街傳感器輸出信號(hào) 針對(duì)渦街流量計(jì)存在的易受現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)干擾影響，無法保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度和量程比受限、不能測(cè)量小流量這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，提出采用數(shù)字信號(hào)處理方法從含有噪聲的渦街流量傳感器輸出信號(hào)中提取流量信息。分別提出采用基于FFT的功率譜分析方法、自適應(yīng)陷波濾波方法和基于小波變換的方法，去處理渦街流量傳感器輸出信號(hào)。
過程工業(yè)更多地需要兩線制、低功耗的儀表。針對(duì)這一情況，我們提出采用低功耗單片機(jī)MSP430F1611做少點(diǎn)數(shù)FFT結(jié)合硬件模擬濾波器組的信號(hào)處理方式，來實(shí)現(xiàn)渦街信號(hào)的處理，并采取一系列措施，保證測(cè)量精度。再設(shè)計(jì)有效的電流管理和電流輸出模塊，研制出低功耗、兩線制數(shù)字渦街流量計(jì)，既能從噪聲中提取渦街信號(hào)、保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度、擴(kuò)展量程比，又能做到低功耗和兩線制工作。
2、研制基于MCU的低功耗兩線制數(shù)字渦街流量計(jì) 由于數(shù)字信號(hào)處理算法比較復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，而儀表有實(shí)時(shí)性的要求，所以，必須采用DSP芯片來完成算法的運(yùn)算任務(wù)。但是，DSP芯片的功耗大，一般工作電流都在100mA以上，不能滿足過程儀表兩線制輸出4～20mA電流的要求。為此，我們用低功耗單片機(jī)MSP430F1611做少點(diǎn)數(shù)FFT結(jié)合硬件模擬濾波器組的信號(hào)處理方式，來實(shí)現(xiàn)渦街信號(hào)的處理，再設(shè)計(jì)有效的電流管理和電流輸出模塊，既能從噪聲中提取渦街信號(hào)、保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度、擴(kuò)展量程比，又能做到低功耗和兩線制工作。
2.1硬件開發(fā)
渦街流量計(jì)采用低功耗單片機(jī)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)快速傅立葉變換（FFT），實(shí)現(xiàn)周期圖譜分析，確定渦街信號(hào)的頻率值。設(shè)計(jì)一組硬件帶通濾波器，其通帶覆蓋渦街信號(hào)所在的頻帶，根據(jù)譜分析結(jié)果來選擇具體的帶通濾波器，進(jìn)行*濾波，zui大限度地消除各種諧波和現(xiàn)場(chǎng)噪聲對(duì)測(cè)量的影響，提高測(cè)量精度。采用數(shù)字電位器和運(yùn)算放大器組成程控放大器，通過峰值檢測(cè)確定渦街信號(hào)的幅值，調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號(hào)的幅值達(dá)到*范圍，適應(yīng)大流量和小流量的測(cè)量的需要，擴(kuò)展量程比。選用低功耗的單片機(jī)芯片，并設(shè)計(jì)與之配套的輸出電路和電源管理電路，保證儀表靜態(tài)工作電流小于4mA，輸出電流為4～20mA，實(shí)現(xiàn)兩線制供電的工作方式。
該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，包括壓電傳感器、差分電荷放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開關(guān)電路、峰值檢測(cè)電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、4～20mA輸出與電源管理電路、恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過差分電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，由于幅值非常小，需再經(jīng)過一級(jí)固定的電壓放大器和一級(jí)程控放大器。放大后的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾，然后分為2路。第1路信號(hào)由電壓跟隨器（緩沖器）輸出，被單片機(jī)自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)的FFT，做周期圖譜分析，得到信號(hào)的頻率值，來選擇帶通濾波器組的通道。第2路信號(hào)送至帶通濾波器組，進(jìn)行濾波，由單片機(jī)的頻譜分析結(jié)果來決定輸出某路濾波后的信號(hào)。經(jīng)過帶通濾波器組的輸出信號(hào)分為2路。第1路送至峰值檢測(cè)電路，峰值檢測(cè)電路將信號(hào)的峰值送至單片機(jī)ADC的輸入端，單片機(jī)對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并根據(jù)峰值來調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號(hào)的幅值達(dá)到*范圍。第2路送至由比較器組成的整形電路進(jìn)行整形，整形后的信號(hào)送至單片機(jī)的定時(shí)器輸入端，采用捕獲方式，利用多周期等精度方法進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果，將流量信息顯示在LCD上，并通過自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4～20mA輸出與電源管理電路，經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出。
2.2軟件研制
該系統(tǒng)軟件總體框圖如圖2所示，由主監(jiān)控程序模塊、保護(hù)模塊、中斷模塊、初始化模塊、程控放大器調(diào)整模塊、計(jì)算模塊、電流輸出模塊和人機(jī)接口模塊組成。其中，初始化模塊包括LCD初始化、流體介質(zhì)和儀表口徑初始化、峰值檢測(cè)模塊初始化、4～20mA電流輸出模塊初始化、溫度和壓力補(bǔ)償模塊初始化、掉電保護(hù)模塊初始化、流量計(jì)算模塊初始化和帶通濾波器選擇初始化。
主監(jiān)控程序模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序，調(diào)用各個(gè)模塊中的子程序，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所要求的功能。主監(jiān)控程序的流程如圖3所示。它是一個(gè)循環(huán)程序?；具^程為：系統(tǒng)上電后，立即進(jìn)行初始化；初始化后，首先查詢FFT計(jì)算標(biāo)志位是否置位，若置位，則調(diào)用FFT計(jì)算模塊，對(duì)經(jīng)過電荷放大、電壓放大、低通濾波和電壓跟隨后的渦街傳感器信號(hào)做FFT計(jì)算、頻譜分析和校正，估計(jì)出zui大能量所在的頻率，根據(jù)這個(gè)頻率來選擇帶通濾波器，并設(shè)置峰值檢測(cè)時(shí)間的間隔，處理完成后清除標(biāo)志位；然后，查詢發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)的標(biāo)志位是否置位。www.jslkyb.com
2.3HART現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能的加載研制
2.3.1硬件加載
HART通訊電路對(duì)功耗和抗干擾要求更高，在保留了智能數(shù)字渦街電路信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)的條件下，針對(duì)數(shù)字渦街電路的不足，重新設(shè)計(jì)了硬件平臺(tái)，改進(jìn)兩線電流環(huán)電路設(shè)計(jì)，降低電路輸入電容、電感，使之達(dá)到防爆設(shè)計(jì)要求。同時(shí)為了降低功耗，在保證MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理功能的條件下，降低MCU工作主頻，實(shí)現(xiàn)了HART通訊電路有效加載，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
2.3.2軟件加載
在保留少點(diǎn)數(shù)快速傅立葉變換（FFT），周期圖譜分析等優(yōu)勢(shì)算法的情況下，吸收和優(yōu)化智能數(shù)字渦街程序，消除因降低功耗修改主頻帶來的算法運(yùn)行上的困難，成功嵌入HART通訊軟件包。
2.4儀表所具備的各種補(bǔ)償功能
與其它智能流量計(jì)一樣，針對(duì)各種測(cè)量介質(zhì)和復(fù)雜的工作狀況，在儀表的軟件開發(fā)中，我們賦予儀表各種補(bǔ)償功能。
2.4.1儀表系數(shù)K的修正
通常渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K是通過液體或氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在常溫、常壓條件下標(biāo)定后確定的。如果儀表用于高溫流體（例如蒸汽）測(cè)量或用于低雷諾數(shù)區(qū)域的流量測(cè)量時(shí)，還用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的儀表系數(shù)則會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。因此當(dāng)儀表的工作條件偏離標(biāo)定條件較遠(yuǎn)時(shí)需對(duì)儀表系數(shù)K進(jìn)行修正。
當(dāng)雷諾數(shù)ReD低于渦街流量計(jì)線性工作區(qū)時(shí)，儀表系數(shù)K將出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。為了提高低雷諾數(shù)區(qū)域測(cè)量的度，需對(duì)儀表系數(shù)K進(jìn)行修正。
2.4.2介質(zhì)溫度對(duì)儀表系數(shù)K影響的修正
當(dāng)渦街流量計(jì)測(cè)量高溫（例如飽和蒸汽、過熱蒸汽、熱風(fēng)、熱水等）介質(zhì)時(shí)，儀表的表體（測(cè)量管）和發(fā)生體都處在高溫介質(zhì)中，測(cè)量管內(nèi)徑D和發(fā)生體的寬度都會(huì)由于熱膨脹而改變尺寸，進(jìn)而影響渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K，所以測(cè)量高溫介質(zhì)時(shí)儀表也具有對(duì)儀表系數(shù)K進(jìn)行修正的功能。
2.4.3管徑差異影響的修正
當(dāng)渦街流量計(jì)與配管連接時(shí)，渦街流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)徑與上下游配管的內(nèi)徑存在差異時(shí)，儀表具有對(duì)這種差異引起的誤差進(jìn)行修正的功能。
2.4.4流體工作狀態(tài)物性參數(shù)的補(bǔ)償
渦街流量計(jì)是速度式流量計(jì)，它測(cè)量的是工作狀態(tài)下的體積流量。流體的工作狀態(tài)不同時(shí)，對(duì)于相同的旋渦頻率，所代表的體積流量或質(zhì)量流量是不同的。在這種情況下，如果不以質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量來表示真實(shí)的流量，就會(huì)出現(xiàn)很大的差異，應(yīng)對(duì)流體的不同工作狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。
本流量計(jì)對(duì)不同狀態(tài)的氣體、液體密度，不同組分的氣體密度，不同干度的飽和蒸汽密度，不同狀態(tài)的過熱蒸汽密度，不同狀態(tài)氣體的壓縮系數(shù)都具有補(bǔ)償功能。
3、樣機(jī)試制 完成基于MSP430F1611的低功耗智能數(shù)字渦街放大器制作后，前后進(jìn)行樣機(jī)實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)近40臺(tái)次，其間針對(duì)抗干擾性能設(shè)計(jì)了特別的實(shí)驗(yàn)（如制造脈動(dòng)流、管道振動(dòng)、減少直管段長(zhǎng)度、安裝問題等等）。針對(duì)出現(xiàn)問題放大器多次修改參數(shù)和軟件。樣機(jī)驗(yàn)證工作完成后，液體Φ150以下、氣體Φ25以上流量測(cè)量均可達(dá)到15～20：1的范圍，液體zui低測(cè)量流速可達(dá)0.2m/s，氣體zui低測(cè)量流速可達(dá)2m/s，放大器在通用性、適用性和抗干擾性能上較現(xiàn)有產(chǎn)品有大幅度的提高。
按照J(rèn)JG1029-2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》的要求我們對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了全性能型式試驗(yàn)，樣機(jī)均達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的要求。
根據(jù)現(xiàn)行防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求完成DBLU型智能數(shù)字渦街系列的本安防爆認(rèn)證工作，達(dá)到EXiaⅡCT5的本安防爆等級(jí)。
另外，為了保證產(chǎn)品穩(wěn)定可靠的質(zhì)量，在滿足基本技術(shù)條件的同時(shí)在可靠性保證大綱內(nèi)增加了超載試驗(yàn)，噪音及振動(dòng)試驗(yàn)，變換介質(zhì)試驗(yàn)以及*連續(xù)工作試驗(yàn)等項(xiàng)目來進(jìn)一步確保產(chǎn)品的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)后也取得了較滿意的效果。
抗干擾性能強(qiáng)，且功能完善的DBLU型智能數(shù)字渦街流量計(jì)系列產(chǎn)品的研發(fā)成功，使渦街流量計(jì)跨上了一個(gè)新臺(tái)階，具有了更廣闊的應(yīng)用前景。到目前為止已在各種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用上1000臺(tái)，效果良好，售后服務(wù)費(fèi)用節(jié)約大約50%。
