【正文】 與理論值相差甚遠（實際量程比只能達到 10：1，而理論值可到達 100：1） 。其實質(zhì)性原因在于低流速下測量的困難，所以擴大量程比的問題轉(zhuǎn)化成為了擴大渦街流量計測量下限的問題了，也成為渦街流量計研究的十分重要的研究課題之一。 課題研究目的及意義根據(jù)目前渦街流量計的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(shù)字信號處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量儀表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片機的結(jié)構(gòu)進行脈沖計頻和 FFT 計算，并且實時進行脈沖輸出及電流輸出。使其具有測量下限低，抗干擾能力強，實時數(shù)字信號處理等特點。本課題研究并且實現(xiàn)了一臺數(shù)字渦街流量計。該數(shù)字渦街流量計采用了雙 MSP430 單片機的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由 MSP430F1611 單片機實現(xiàn)頻譜分析算法來計算渦街信號頻率，有效地克服了模擬渦街在小流量下測量精度不高甚至不能測量的問題；在正常流量范圍內(nèi)，由 MSP430F149 單片機對渦街信號前置放大電路輸出的方波進行計頻，具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測量準(zhǔn)確、實時性好的優(yōu)點。2 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的總體方案設(shè)計 渦街流量計的工作原理本文先從渦街流量計的產(chǎn)生、渦街現(xiàn)象解釋以及渦街信號的測量三個方面來闡述渦街信號檢測的基本工作原理。 渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中的著名的“卡門渦街”原理。在流動的流體中放置一根與流向垂直的非流線性柱形體（如三角柱，圓柱等） ，稱之為漩渦發(fā)生體。隨著流體沿漩渦發(fā)生體流動的速度逐漸加快，雷諾數(shù) Re 逐漸增大，當(dāng) Re 達到40 左右時，由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團受到更大的阻滯，就會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反、平行參差排列的渦列，這就是所謂的“卡門渦街” [1][2]。其中雷諾數(shù) Re 的定義為： （1）?vL?Re式中 γ——工作狀態(tài)下流體的運動粘度；1ν——來流的平均流速；L——為流束的定型尺寸。由流體力學(xué)理論可知，雷諾數(shù)的大小反映了流體的流動特性。實驗表明，當(dāng)外部條件幾何相似時（幾何相似的流動環(huán)境、流體繞過幾何相似的物體） ，若雷諾數(shù)相同，流體的流動狀態(tài)幾何相似，即流體具有相似的運動規(guī)律和流速分布。值得注意的是，并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的，由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排漩渦，且當(dāng)兩漩渦列之間的距離 和同列的兩漩渦之間距離之比 滿足hl≈（） （2）lh時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。 渦街信號的測量大量實驗證明：在二維流動狀態(tài)下（阻流體具有規(guī)則截面，且可視為無限長） ，當(dāng)滿足渦街穩(wěn)定的條件時，渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率（簡稱渦街頻率）f 與阻流體兩側(cè)的平均流速 v 之間具有以下關(guān)系： (3)dvStf?其中為 d 阻流體迎流面的最大寬度；St 為斯特羅哈爾數(shù)，它是一個無量綱常數(shù)；當(dāng)發(fā)生體的幾何形狀確定時，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（一般在 3102～210 5） ，斯特羅哈爾數(shù)是一個常數(shù)，對于三角柱形漩渦發(fā)生體，St＝，對于圓柱體形漩渦發(fā)生體，St＝。由式（3）可知，渦街頻率與來流的平均流速成正比，那么根據(jù)流動的連續(xù)性理論易知：渦街頻率與來流的體積流量成正比關(guān)系；且其比例系數(shù)在很寬的流量范圍內(nèi)為定值。這一原理被用來研制渦街流量計，測量封閉管道內(nèi)流體的流量。流量計的檢測元件用各種方法檢測渦街頻率，以得到被測流體的體積流量： (4)KfStndvQ?其中 v 為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s） ；S 為管道截面積；m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)流通面積與管道截面積之比，d 為漩渦發(fā)生體特征尺寸，K 為儀表的儀表系數(shù)。由式（4）可看出，只要給定渦街流量傳感器，其管道截面積 S、漩渦發(fā)生體特征尺寸 d 及斯特羅哈爾數(shù)是可知的，因此儀表系數(shù)也是確定的，只要準(zhǔn)確測得漩渦的分離頻率，就可以準(zhǔn)確的得知被測流體的速度，從而到達測量管道內(nèi)流量的目的 [3]。因此，應(yīng)用渦街流量計測量的特點就是：體積流量 Qv 只與渦街頻率及管道和發(fā)生體的幾何形狀有關(guān)，與流動介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。這決定了渦街流量計的下列優(yōu)點：（1）渦街2流量計具有線性的儀表系數(shù)，而儀表系數(shù)的取值僅由管道口徑、發(fā)生體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定；（2）同一臺渦街流量計的儀表系數(shù)是一定的，那么就可以用最方便、廉價的介質(zhì)對流量計進行標(biāo)定。由式（1）可知，隨著流速的下降，雷諾數(shù) Re 也會減小，當(dāng) Re 減小到3102以下時斯特羅哈爾數(shù)就不再恒定。此時，Qv 與 f 不再是線性比例關(guān)系，即式（4）不能成立。因此，渦街流量計實際測量的量程下限遠遠高于理論值。不難看出，擴展渦街流量計量程的下限是一個重要的研究課題。 渦街信號的組成組成渦街的信號既有有用信號也有噪聲或者叫干擾信號。從渦街傳感器引出的電荷信號經(jīng)電荷放大器和濾波器的簡單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號，這個電壓信號是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號成分即有用信號，也包括各種噪聲。其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場干擾和管道振動干擾。那么渦街信號可以表示為： （5）)()()(321tntnsty??式中 ——體現(xiàn)渦街頻率的信號，稱為有用信號；)(ts——電磁干擾信號；1n——流場干擾信號；)(2t——管道振動干擾信號。3我們的最終目的就是要精確的從這個復(fù)雜的渦街信號里提取出有用信號，那么，我們必須先了解噪聲信號，才能有效的去除噪聲 [4]。下面從三點加以介紹：由于在工業(yè)現(xiàn)場電力線及電力設(shè)備密集，大量的電磁干擾就會影響到渦街流量計信號處理電路，這種干擾主要分為三類：高頻電磁輻射干擾、交直流電源干擾和低頻電磁干擾。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過空間電磁場作用到信號處理電路的；交直流電源干擾來自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對渦街流量計的最主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來源非常復(fù)雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況及放大器的特性等有關(guān)，如：金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的，不能抵御頻率 50Hz 以下的電磁場；壓電敏感元件的接地點（表殼）與處理電路的接地點如果存在跨步電流，就會在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電源干擾存在，而處3理電路的共模抑制比較低時，就會在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。這種低頻干擾在渦街頻帶之內(nèi)，所以消除低頻電磁干擾是渦街現(xiàn)場應(yīng)用的一個重要問題。工業(yè)現(xiàn)場管道內(nèi)的干擾對漩渦發(fā)生體附近的流場分部有很大的影響。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、T 形管、擴張管和收縮管等，這些器件對管道的影響有兩個方面：（1）影響管道內(nèi)的壓力分部，導(dǎo)致管道的壓力分布不均勻，從而導(dǎo)致管道內(nèi)流速分部不均勻；（2）會產(chǎn)生流體擾動和雜亂的漩渦流。這種干擾會使渦街信號的信噪比降低，并且破壞管道內(nèi)流場的均勻性和對稱性。圖 1 受擾的渦街信號圖管道一般與風(fēng)機、水泵或壓縮機等裝置相連接，風(fēng)機、水泵和壓縮機產(chǎn)生的振動、人為撞擊管道以及局部阻力件產(chǎn)生的隨機噪聲有時十分強烈，會疊加到渦街信號中，對于有用信號的提取帶來了很大的困難。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，但是，在工況下低流速的渦街信號則基本被噪聲淹沒，如圖 1 所示的實際工況下采集的受擾的渦街信號波形圖。 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的設(shè)計方案大部分的脈沖輸出型渦街流量計都是基于電荷放大電路、濾波電路、整形電路和脈沖輸出電路組成的一套模擬電路的模擬渦街流量計。實踐證明，在高信噪比的情況下，這種模擬渦街流量計處理渦街頻率信號的效果是很好的。但是，當(dāng)在低流速下測量時，由于有用信號波形的峰值大致與流速的平方成正比，信號幅值較小，信噪比較低，經(jīng)常性的噪聲（如流動噪聲）的幅值則相對增強，以至于淹沒有用信號，造成整形時的誤觸4發(fā)。由于上述情況主要出現(xiàn)在測量的低量程段，從而導(dǎo)致了量程比的縮小，普通的模擬渦街流量計的實際量程只有 1：10。鑒于上述模擬渦街流量計具有的優(yōu)勢以及存在的不足，本課題提出了一種新型脈沖電流輸出型數(shù)字渦街流量計的方案設(shè)計。該方案既保留了原有模擬渦街流量計在正常流量范圍高信噪比情況下測量準(zhǔn)確、實時性好的優(yōu)勢；又采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，有效地克服了小流量下測量精度不高甚至不能測量的問題。本課題設(shè)計的雙 MSP430 單片機數(shù)字渦街流量計采用了普通模擬渦街流量計的前置放大電路，包括電荷放大器、低通濾波器、限幅器和施密特觸發(fā)器；上述的前置處理電路產(chǎn)生的兩種信號分別送到兩個單片機中，其中幅值為 的脈沖信號送入 MSP430F149中，幅值為 的正弦信號送入 MSP430F1611 中。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時，由MSP430F149 利用其 I/O 端口的外部中斷功能，對前置放大電路輸出的方波信號進行計頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時，對前置放大電路中低通濾波器輸出的疊加了許多干擾的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對 A/D 采樣的結(jié)果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率。最后，在整個流量范圍內(nèi)，將得出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611 的端口輸出然后通過 AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4～20mA 電流輸出。圖 2 雙 MSP430 單片機的設(shè)計示意圖壓電式渦街傳感器電荷放大器 低通濾波器限幅器施密特觸發(fā)器脈沖計頻單片機脈沖輸出FFT 轉(zhuǎn)換單片機三線制輸出接口 兩線制輸出接口電荷信號電壓值電流值電業(yè)轉(zhuǎn)換電流輸出5此方案與傳統(tǒng)模擬渦街流量計的信號處理方法基本類似，具有在正常流量范圍內(nèi)高信噪比情況下計量準(zhǔn)確、實時性好的優(yōu)點；但是，在小流量低信噪比的情況下，渦街信號受干擾嚴重，易造成整形時的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致單片機計頻不準(zhǔn)甚至無法測量。此時，數(shù)字渦街流量計會自動切換到 FFT 頻率計算方式，即在低流速小流量的情況下，模擬電路輸出的代表渦街頻率的方波信號非常不穩(wěn)、跳變的范圍很大時，MSP430F1611 單片機首先利用其 A/D 采樣端口采集經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號，然后進行 FFT 運算和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，然后 MSP430F1611 把頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，又將電壓值經(jīng)過 AM402 轉(zhuǎn)換為 4～20mA 電流輸出。與此同時，通過通訊的方式將頻率值發(fā)送給 MSP430F149 單片機，最后通過 MSP430F149 單片機進行脈沖輸出。此方案把數(shù)字信號處理的方法應(yīng)用到實際中，很好的解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比信號處理問題，即可有效地降低渦街信號的測量下限 [5]。 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的 FFT 頻率計算方法 FFT 算法簡介FFT 是 DFT 的快速計算方法，DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，離散信號 x(nT)的傅里葉變換可以表示為： （6）1,.2,0)()(10 ??????NkWnxkXN式中， ，成為蝶形因子。上式實際上就是 N 點的 DFT，可以看出，計算jNeW/2??所有的 X(k)需要 N2 次乘法和 N2 次加法，運算量很大。DFT 的快速算法即 FFT，利用了蝶形因子內(nèi)在的對稱性和周期性，從而加快運算速度 [6]。 功率譜估計概念及頻率計算經(jīng)典譜估計中的直接法又稱周期圖法，周期圖這一概念是由 Schuster 于 1899 年首先提出的，因為它是直接由傅里葉變換得到的，所以習(xí)慣上稱之為直接法，它是把隨機信號 x(n)的 N 個觀察數(shù)據(jù) xN(n)視為一能量有限信號，直接取 xN(n)的傅里葉變換，得XN(ω)，然后再取其幅值的平方，并除以 N，作為對 x(n)真實的功率譜 P(ω)的估計。以表示用周期圖法估計出的功率譜，則)(^wPN （7）2^)(1)(wXPNN?6其中： （8）????10)()(NnjwexX是實平穩(wěn)隨機序列 的傅立葉變換。N自 1965 年 FFT 出現(xiàn)后，周期圖法就成為了譜估計中的一個常用的方法，XN(ω)可以借助 FFT 實現(xiàn)，所以也可方便地求出，這樣不僅實現(xiàn)簡單，而且具有很高的計算效率和計算精度。本課題設(shè)計的 FFT 計算程序首先依據(jù)快速傅立葉變換原理進行 1024 點 FFT 計算，然后將計算得到的 再進行功率譜 計算，在 1024 個功率譜中找出最大的一個，)(wxN)(^wPN即功率譜的峰值。設(shè)第 K(K=1，2，…，1024)個功率譜為最大值,那么實際渦街的真實頻率為: （9）KfS/?其中：fs——采樣頻率；N——采樣點數(shù)(本課題選取 N＝1024)。通過這樣的方法就可以計算出渦街在低流速下的頻率值了。不難發(fā)現(xiàn)，在式（9）中fs/N 正是頻率值的分辨率。如果要想更加準(zhǔn)確地計算出頻