【正文】 典型特性有：①輸出擺幅包括兩個(gè)電源電平，即可達(dá)到滿電源電壓幅度；②低噪聲， f=1kHZ 時(shí)，典型值為 19nV/HZ；③低輸入偏置電流，典型值為 1pA；④超低的功耗，每一通道的典型值為 34μ A；⑤共模輸入電壓范圍包含負(fù)載電源電平；⑥低輸入失調(diào)電壓值，在 t=25℃時(shí)最大為 850μ V；⑦供電電壓范圍寬泛， ～ 8V；⑧高輸入阻抗和低噪聲，非常適用于壓電傳感器之類小信號條件的高阻抗來源。 單頻實(shí)正弦 信號的快速插值頻率估計(jì)法 由于渦街流量實(shí)際信號為單頻實(shí)正弦信號，根據(jù) FFT 變換系數(shù)的實(shí)部與幅度譜具有相似的特征，當(dāng)信噪比高于 5dB 時(shí)， FFT 變換后系數(shù)的實(shí)部與幅度譜具有完全相同的峰值位置，所以，只需利用 3個(gè) FFT系數(shù)的實(shí)部來構(gòu)造頻率修正項(xiàng)，計(jì)算量低，具有精度高、測頻速度快的特點(diǎn)。此方案把數(shù)字信號處理的方法應(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處理問題，即可有效地降低渦街信號的測量下限 [5]。 圖 1 受擾的渦街信號圖 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)疊加到渦街信號中，對于有用信號的提取帶來了很大的困難。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。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。不適用于低雷諾數(shù)測量，一般要求雷諾數(shù) Re 不低于 2 104，故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制；需要 根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器）；不適用于周圍環(huán)境有嚴(yán)重干擾及管道產(chǎn)生振動(dòng)的場所。同時(shí)隨著新的信號處理技術(shù)及新的信號傳輸技術(shù)的應(yīng)用 ,流量計(jì)將向高度智能化方向發(fā)展。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性 ,提高流量計(jì)對介質(zhì)適應(yīng)性、對環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。 流量計(jì)伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能 ,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量計(jì)的完善成為可能。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性 ,提高流量計(jì)對介質(zhì)適應(yīng)性、對環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。渦街流量計(jì)也存在著一定的局限性。 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。 2 標(biāo)定。這 種干擾會(huì)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。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。鑒于上述情況，課題引入了一種實(shí)正弦信號的快速插值頻率估計(jì)方法作為校正頻率值的方法。采用先進(jìn)的 LinCMOSTM工藝制造的 4路運(yùn)算 放大器TLV2254，具有滿電源電壓幅度輸出性能，同時(shí)比現(xiàn)有的 CMOS 運(yùn)放具有更好的輸入失調(diào)電壓和更低的功耗。這樣，電荷放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)就被抬高至 ，壓電傳感器輸出的正弦波以 為基準(zhǔn)，波峰可至 ,波谷可至 0V。 13 壓高于二極管的門坎電壓時(shí)，輸入信號能直接通過導(dǎo)通的二極管輸出；而當(dāng)輸入信號電壓低于二極管的門坎電壓時(shí)，二極管不導(dǎo)通，則信號經(jīng)反饋電阻被放大 R17/R15≈ 60 倍后再輸出。 (7)12 位 200kbps 的 A/D 轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持。下圖 13 即本儀表脈沖輸出原理圖。電路原理圖如下圖。 脈沖計(jì)頻函數(shù)利用 MSP430F149 單片機(jī)定時(shí)器 Timer_A 的捕獲功能，使其捕獲方波的上升沿，分別記錄兩次上升沿定時(shí)器 Timer_A 的寄存器 TACCR1 的值。 A/D 采樣函數(shù)首先對 A/D 模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置 A/D 模塊的采樣方式為單通道多次而且采樣信號由定時(shí)器 Timer_A 觸發(fā)。具體計(jì)算如下 ： 011 ???? ??YY YK （ Y1≤ Y+1） (12) 011 ????? ??YY YK (Y1Y+1) (13) 因此，實(shí)際 K＝ Km+Δ K,校正后的頻率 f=Kfs/N,其中 fs 為采樣頻率； N為采樣點(diǎn)數(shù) (本課題選取 N＝ 1024)[9][10]。對實(shí)際渦街信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到了很好的測量效果，有效地抑制了低流速下的噪聲干擾，精確的將渦街信號提取出來，降低了渦街測量下限可準(zhǔn)確測量頻率為 3Hz的渦街信號，擴(kuò)大了渦街測量的量程。 24 謝 辭 本論文是在導(dǎo)師崔玉玲老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 (3)盡量關(guān)閉單片機(jī)中未用到或暫時(shí)不用的模塊。 21 率估計(jì)法可知，實(shí)際的 K值往往與 Km 不同，即實(shí)際的 K值是 Km 附近的小數(shù)值。當(dāng)接收到 FFT 轉(zhuǎn)換指令 0xAA 的時(shí)候，進(jìn)入 A/D 采樣程序，采樣完成后進(jìn)行 FFT 計(jì)算。因此，根據(jù)這兩片單片機(jī)的不同工作分別編寫相應(yīng)的程序。課題采用 24V 直流電源供電，通過 AM402 芯片提供 5V 電源，再通過BCM3033 電源芯片將 5V 轉(zhuǎn)換為 電源為單片機(jī)供電。 對方波信號的計(jì)頻通過 MSP430F149 具有中斷功能的 I/O 端口來實(shí)現(xiàn)。 (3)5 種節(jié)電模式：等待方式 A； RAM 保持的節(jié)電方式 A。運(yùn)放 U3B 的輸出信號Sine Signal 即單片機(jī) A/D 需要采集的渦街信號，它是以 為基準(zhǔn)，接近 A/D 轉(zhuǎn)換量程（ 0～ ）的帶有許多“小毛刺”的正弦波 [9]。 11 電壓參考電路的設(shè)計(jì) 如圖 7，運(yùn)放 U3D 以及電阻 R11 和 R12 構(gòu)成了前置放大電路的電壓參考電路 ,用于提供電荷放大器 U3C、運(yùn)放 U3B、 U3A、 U4(A、 B、 C)的靜態(tài)工作點(diǎn)。 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，同時(shí)，由于本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街除了對上述脈沖信號直 接用單片機(jī)計(jì)頻以外，還具有頻譜分析的功能，故還需從前置放大電路中另抽取一路正弦信號作為頻譜分析的采樣信號。不難發(fā)現(xiàn)，在式（ 9）中fs/N 正是頻率值的分辨率。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。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。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)。使其具有測量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理等特點(diǎn)。 渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。第二，難以準(zhǔn)確測量低流速流量。使其具有測量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理等特點(diǎn)。 2020 年 12 月 16 日 渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。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，對前置放大電路輸出的方波信號進(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(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對 A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號的頻率。附加的旋渦干擾了渦街信 號，降低了信噪比。 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。 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。但是，當(dāng)在低流速下測量時(shí)，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(dòng)噪聲）的幅值則相對增強(qiáng)，以至于淹沒有用信號，造成整形時(shí)的誤觸發(fā)。 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x(n)的 N個(gè)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(shí)的功率譜 P(ω )的估計(jì)。 其中， MSP430F149 單片機(jī)作為脈沖計(jì)頻單片機(jī)， MSP430F1611 為 FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī)。圖 5所示即為電荷放大器電路結(jié)構(gòu) [8]。渦街流量信號的頻帶很寬，并且隨著頻率的增大，信號的幅值近似以指數(shù)增長，低頻時(shí)的信號很小，而高頻時(shí)的信號很大。 如圖 10，運(yùn)放 U4B 的正相輸入端通過反饋電阻 R19 和正相輸入電阻 W2 對輸出端電壓分壓，此分壓值即為觸發(fā)閾值。 16 V C C 3. 3R 2 7R 2 61 00 KR 2 52 00 KR 2 82 2023467U 5 AL M 2 58 23467U 5 BL M 2 58M C U 1 49 _ O U TP ul s e o u tA V C C 12 .0 圖 13 脈沖輸出原理圖 電流輸出電路的設(shè)計(jì) R 3 125R 2 93 3 KR 3 03 3 KC72 .2 u FC80 .0 1 u FV R 15KV R 25KD3R 3 2T1B D 1 3 94012357121116M C U 1 6 1 1 _ O U TV C C 2 4A M 4 0 2V C C ( 5 V ) 圖 14 電壓轉(zhuǎn)換為電流電路 本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)具有 4～ 20mA 遠(yuǎn)傳的功能，因此課題采用 AM4 芯片將MSP430F1611 單片機(jī)的 D/A 模塊輸出的電壓信號 (0～ )轉(zhuǎn)換為 4～ 20電流信號。 MSP430 單片機(jī)在硬件上的低功耗設(shè)計(jì)關(guān)鍵是： （ 1）為系統(tǒng)內(nèi)核及 外圍模塊選擇盡可能低的工作時(shí)鐘頻率。 通訊函數(shù)用于 MSP430F149 單片機(jī)與 MSP430F1611 單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。由于整個(gè) FFT的計(jì)算需要比較大的內(nèi)存空間，因此計(jì)算時(shí)需要較長時(shí)間。例如，在 DN25和 DN50 管道值流量上限分別為 16m3/h和 40m3/h,所對 應(yīng)的頻率分別為 350Hz 和 100Hz，那么就規(guī)定此時(shí)的電流輸出為 20mA，如果頻率再增大儀表也只是輸出 20mA，如果頻率減小則按比例輸出電流 [13]。對不同頻率的信號采用不同的放大倍數(shù)。同時(shí)，還須盡可能保證運(yùn)算速度。如圖 1 18，兩個(gè)單片機(jī)的通訊、脈沖計(jì)頻、 A/D 采樣等等都是通過中斷進(jìn)入的，在中斷響應(yīng)程序里設(shè)置標(biāo)志位，之后再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序中去。同時(shí)又考慮到整個(gè)儀表的功耗，因此在結(jié)束 FFT 計(jì)算后程序仍然恢復(fù)到 32768Hz 晶振。通訊分為兩部分： ， MSP430F149 單片機(jī)接收 MSP430F1611 單片機(jī)的 FFT 頻率計(jì)算值。因此 MSP430F1611 被設(shè)計(jì)為兩個(gè)時(shí)鐘。進(jìn)而整個(gè)電流輸出電路可以實(shí)現(xiàn) 420mA 的輸出。圖 12 所示即單片機(jī)外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖，下面分別介紹各部分電路。假設(shè)運(yùn)放的飽和電壓值為 VCC，反饋電阻與正相輸入電阻相等，則閾值為 VCC/2， U2B 負(fù)相輸入端的限幅后的正弦信號與此閾值作比較，得到幅值為 0～ VCC 的方波輸出，此方波再與比較器 U4A 作比較得到最終的脈沖信號 Pulse Signal 輸出，如圖 11。 12 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(dòng)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。 10 Cp CtCfAQ eo 圖 5 電荷放大器電路原理圖 如圖所示，由于壓 電傳感器具有很高的絕緣內(nèi)阻，因此其等效電路為電荷與電容器的并聯(lián)，設(shè) Q 為傳感器產(chǎn)生的電荷， Cp 為傳感器電容， Ct 為連接電纜電容， Cf 為電荷放大器帶有的深度負(fù)反饋電容，為運(yùn)放的輸入電壓， eo 為運(yùn)放的輸出電壓， A 為運(yùn)放的放大倍數(shù)。 7 表的整體結(jié) 構(gòu)可分為對壓電傳感器輸出的渦街信號的前置放大電路、單片機(jī)計(jì)算及輸出電路、電壓轉(zhuǎn)換電路共三大部分；實(shí)現(xiàn)了雙通道信號采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，脈沖輸出，電流輸出等功能。 自 1965 年 FFT 出現(xiàn)后，周期圖法就成為了譜估計(jì)中的一個(gè)常用的方法， XN(ω) 可以 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。 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。因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號非常微弱，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。 目 錄 摘