【正文】 生很大的影響。流場的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門渦街的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信 號(hào)，降低了信噪比。第二，難以準(zhǔn)確測量低流速流量。因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響，存在一個(gè)量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小流量不能測量。 0 基于上述問題，使得渦街流量計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中，實(shí)際量程與理論值相差甚遠(yuǎn)（實(shí)際量程比只能達(dá)到 10： 1，而理論值可到達(dá) 100： 1）。其實(shí)質(zhì)性原因在于低流速下測量的困難，所以擴(kuò)大量程比的問題轉(zhuǎn)化成為了擴(kuò)大渦街流量計(jì)測量下限的問題了，也成為渦街流量計(jì)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(jì)的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(shù)字信號(hào)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(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)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(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。 本課題研究并且實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)字渦街流量計(jì)。該數(shù)字渦街流量計(jì)采用了雙 MSP430 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由 MSP430F1611 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析算法來計(jì)算渦街信號(hào)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(jī)對(duì)渦街信號(hào)前置放大電路輸出的方波進(jìn)行計(jì)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(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。 2 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的總體方案設(shè)計(jì) 渦街流量計(jì)的工作原理 本文先從渦街流量計(jì)的產(chǎn)生、渦街現(xiàn)象解釋以及渦街信號(hào)的測量三個(gè)方面來闡述渦街信號(hào)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(jì)實(shí)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(dòng)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(dòng)的 速度逐漸加快，雷諾數(shù) Re 逐漸增大，當(dāng) Re 達(dá)到 40左右時(shí)，由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團(tuán)受到更大的阻滯，就會(huì)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： ?vL?Re （ 1） 式中γ —— 工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度； ν —— 來流的平均流速； L—— 為流束的定型尺寸。 1 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(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外部條件幾何相似時(shí)（幾何相似的流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)幾何相似，即流體具有相似的運(yùn)動(dòng)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h 和同列的兩漩渦之間距離之比 l 滿足 lh≈ （ ） （ 2） 時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。 渦街信號(hào)的測量 大量實(shí)驗(yàn)證明：在二維流動(dòng)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(shí)，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： dvStf ? (3) 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(gè)無量綱常數(shù)；當(dāng)發(fā)生體的幾何形狀確定時(shí)，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（一般在 3 102～ 2 105），斯特羅哈爾數(shù)是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于三角柱形漩渦發(fā)生體， St＝ ，對(duì)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(dòng)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(jì)，測量封閉管道內(nèi)流體的流量。流量計(jì)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： KfStnd fSSvQv ??? (4) 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(dá)測量管道內(nèi)流量的目的 [3]。 因此，應(yīng)用渦街流量計(jì)測量的特點(diǎn)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(dòng)介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。這決定了渦街流量計(jì)的下列優(yōu)點(diǎn)：（ 1）渦街流量計(jì)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(tái)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是一定的，那么就可以用最方便、廉價(jià)的介質(zhì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行 2 標(biāo)定。由式（ 1）可知，隨著流速的下降，雷諾數(shù) Re 也會(huì)減小，當(dāng) Re 減小到 3 102以下時(shí)斯特羅哈爾數(shù)就不再恒定。此時(shí)， 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(jì)實(shí)際測量的量 程下限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論值。不難看出，擴(kuò)展渦街流量計(jì)量程的下限是一個(gè)重要的研究課題。 渦街信號(hào)的組成 組成渦街的信號(hào)既有有用信號(hào)也有噪聲或者叫干擾信號(hào)。從渦街傳感器引出的電荷信號(hào)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(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號(hào)成分即有用信號(hào)，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(dòng)干擾。那么渦街信號(hào)可以表示為： )()()()()( 321 tntntntsty ???? （ 5） 式中 )(ts —— 體現(xiàn)渦街頻率的信號(hào)，稱為有用信號(hào)； )(1tn —— 電磁干擾信號(hào)； )(2tn —— 流場干擾信號(hào)； )(3tn —— 管道振動(dòng)干擾信號(hào)。 我們的最終目的就是要精確的從這個(gè)復(fù)雜的渦街信號(hào)里提取出有用信號(hào)，那么，我們必須先了解噪聲信號(hào)，才能有效的去除噪聲 [4]。下面從三點(diǎn)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(huì)影響到渦街流量計(jì)信號(hào)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(hào)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(duì)渦街流量計(jì)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(diǎn)（表殼）與處理電路的接地點(diǎn)如果存在跨步電流 ，就會(huì)在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電源干擾存在，而處理電路的共模抑制比較低時(shí)，就會(huì)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(gè)重要問題。 3 工業(yè)現(xiàn)場管道內(nèi)的干擾對(duì)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(kuò)張管和收縮管等，這些器件對(duì)管道的影響有兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生流體擾動(dòng)和雜亂的漩渦流。這 種干擾會(huì)使渦街信號(hào)的信噪比降低，并且破壞管道內(nèi)流場的均勻性和對(duì)稱性。 圖 1 受擾的渦街信號(hào)圖 管道一般與風(fēng)機(jī)、水泵或壓縮機(jī)等裝置相連接，風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、人為撞擊管道以及局部阻力件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲有時(shí)十分強(qiáng)烈，會(huì)疊加到渦街信號(hào)中，對(duì)于有用信號(hào)的提取帶來了很大的困難。理想的渦街信號(hào)經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個(gè)規(guī)則的正弦波信號(hào)，但是，在工況下低流速的渦街信號(hào)則基本被噪聲淹沒，如圖 1所示的實(shí)際工況下采集的受擾的渦街信號(hào)波形圖。 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量 計(jì)的設(shè)計(jì)方案 大部分的脈沖輸出型渦街流量計(jì)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(jì)。實(shí)踐證明，在高信噪比的情況下，這種模擬渦街流量計(jì)處理渦街頻率信號(hào)的效果是很好的。但是，當(dāng)在低流速下測量時(shí)，由于有用信號(hào)波形的峰值大致與流速的平方成正比，信號(hào)幅值較小，信噪比較低，經(jīng)常性的噪聲（如流動(dòng)噪聲）的幅值則相對(duì)增強(qiáng)，以至于淹沒有用信號(hào)，造成整形時(shí)的誤觸發(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(jì)的實(shí)際量程只有 1： 10。 鑒于上述模 擬渦街流量計(jì)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 4 流輸出型數(shù)字渦街流量計(jì)的方案設(shè)計(jì)。該方案既保留了原有模擬渦街流量計(jì)在正常流量范圍高信噪比情況下測量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢；又采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)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(jì)的雙 MSP430 單片機(jī)數(shù)字渦街流量計(jì)采用了普通模擬渦街流量計(jì)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(hào)分別送到兩個(gè)單片機(jī)中，其中幅值為 的脈沖信號(hào)送入 MSP430F149 中，幅值為 的正弦信號(hào)送入 MSP430F1611 中。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時(shí)，由 MSP430F149利用其 I/O端口的外部中斷功能，對(duì)前置放大電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時(shí)，對(duì)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(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對(duì) A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率。最后，在整個(gè)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(shí)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(jī)的設(shè)計(jì)示意圖 此方案與傳統(tǒng)模擬渦街流量計(jì)的信號(hào)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(jì)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)；但是，在小流量低信噪比的情況下，渦街信號(hào)受干擾嚴(yán)重，易造成整形時(shí)的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)頻不準(zhǔn)甚至無法測量。此時(shí)，數(shù)字壓電式渦街傳感器 電荷放大器 低通濾波器 限幅器 施密特觸發(fā)器 脈沖計(jì)頻單片機(jī) 脈沖輸出 FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī) 三線制輸出接口 兩線制輸出接口 電荷信號(hào) 電壓值 電流值 電業(yè)轉(zhuǎn)換電流輸出 5 渦街流量計(jì)會(huì)自動(dòng)切換到 FFT頻率計(jì)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(hào)非常不穩(wěn)、跳變的范圍很大時(shí)， MSP430F1611 單片機(jī)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(hào)，然后進(jìn)行 FFT 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)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(shí)，通過通訊的方式將頻率值發(fā)送給MSP430F149 單片機(jī)，最后通過 MSP430F149 單片機(jī)進(jìn)行脈沖輸出。此方案把數(shù)字信號(hào)處理的方法應(yīng)用到實(shí)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(hào)處理問題，即可有效地降低渦街信號(hào)的測量下限 [5]。 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié) 構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的 FFT 頻率計(jì)算方法 FFT 算法簡介 FFT 是 DFT 的快速計(jì)算方法， DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，離散信號(hào) x(nT)的傅里葉變換可以表示為： 1,.2,1,0,)()( 10 ???? ??? NkWnxkX Nn nkN （ 6） 式中， NjN eW /2??? ，成為蝶形因子。上式實(shí)際上就是 N點(diǎn)的 DFT，可以看出，計(jì)算所有的 X(k)需要 N2 次乘法和 N2 次加法，運(yùn)算量很大。 DFT 的快速算法即 FFT，利用了蝶形因子內(nèi)在的對(duì)稱性和周期性，從而加 快運(yùn)算速度 [6]。 功率譜估計(jì)概念及頻率計(jì)算 經(jīng)典譜估計(jì)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?yàn)樗侵苯佑筛道锶~變換得到的，所以習(xí)慣上稱之為直接法，它是把隨機(jī)信號(hào)x(n)的 N個(gè)觀察數(shù)據(jù) xN(n)視為一能量有限信號(hào)，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(duì) x(n)真實(shí)的功率譜 P(ω )的估計(jì)。以 )(^ wPN 表示用周期圖法估計(jì)出的功率譜，則 2^ )(1)( wXNwP NN ?