[導讀] 針對渦街流量計低流速的信號噪聲問題，介紹基于MSP430數字渦街流量計的實驗系統，探討、研究噪聲信號的處理。采用精度較高的稱重法在流量實驗標準裝置上對數字渦街流量計進行標定。實驗結果表明，運用MSP430功能強大的微處理器及高速運算能力，有效地擴大渦街的量程比，實現對渦街流量計的信號分析、處理，提高對噪聲的抗干擾能力。
1 引言
渦街流量計因其介質適應性強，無可動部件，結構簡單，使用壽命長等諸多優點，在許多行業得到了廣泛的應用[1]。然而，渦街流量計也存在著明顯的弱點。在低流速條件下，渦街信號的信噪比很低，有用信號幾乎被噪聲淹沒；給低流速條件下的測量造成了很大的困難；且容易受到振動噪聲的干擾。傳統的渦街流量計的信號處理方法采用的是模擬電路，解決不了低流速條件下的信號處理問題，量程比只能達到1：10，限制了渦街流量計的使用。目前，關于渦街的抗震性及抗噪聲方面的研究取得了一些進步[2，3]，本文正是利用MSP430強大的處理功能，實現對渦街流量計的信號分析和處理，從而提高對噪聲的抗干擾能力，提高量程比。
2 數字渦街流量計的工作原理
2.1 渦街的產生與渦街現象
渦街流量計是利用流體振動原理來進行流量測量。即在特定的流動條件下，流體一部分動能產生流體振動，且振動頻率與流體的流速（或流量）有一定關系。其測量原理為：把一個非流體線性阻流體（也稱為旋渦發生體）豎直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，產生附層分離現象，形成有規則的旋渦列，左右兩側的旋渦的旋轉方向相反，這種旋渦稱卡門渦街[4]，如圖1所示。
圖1 卡門渦街現象
2.2 渦街流量信號的組成
從處理電路出來的信號，形式一般都是弱電壓或弱電流。這個信號是雜亂無規則的，這是因為信號中既包括了從渦街傳感器所測得的有用信號，又包括了各種無用的噪聲干擾信號，這些干擾信號主要包括電磁場干擾信號、管道振動的干擾信號。
雖然理想的渦街信號經電荷放大器和低通濾波器后應該是一個規則的正弦波信號，但由于不可避免地疊加了各種噪聲信號，所以得到的信號看起來是雜亂無章的。圖2則表示了一個典型的受干擾的渦街信號。因此有用信號的提取顯得尤為重要[5]。
圖2 受干擾的渦街信號
2.3 渦街信號的測量
根據卡門渦街原理，單側漩渦頻率f和漩渦發生體兩側流速u1有如下關系：
（1）
式中：d——漩渦發生體的迎流面的最大寬度；Sr——斯特勞哈爾數，無量綱。
在以d為特征尺寸的雷諾數Re的一定范圍內，Sr為常數。
當柱體的形狀、尺寸確定之后，就可根據式（1）通過測定f來測定漩渦發生體兩側的流體流速u1。
根據流體流動的連續性原理可得：
Au=A1u1渦 （2）
式中：A1——漩渦發生體兩側流通面積，m2；A——管道流通面積，m2；u——管道截面上流體平均流速，m/s。
定義截面比，則可得，則瞬時體積流量為：
（3）
式中：D——管道內徑，m。
對于圓柱體旋渦發生體，可以計算出：
（4）
則渦街流量計的儀表系數為：
（5）
式中：qv——通過流量計的體積流量，L/s；f——流量計輸出的信號頻率，Hz；K——渦街流量計的儀表系數，1/L。
以上的推理是在斯特勞哈爾數Sr為常數的基礎上的。儀表系數K僅與漩渦發生體的幾何參數有關系，而與流體的物性和組分無關[4]。
渦街流量計可以測量液體流量，也可以測量氣體流量。流量特性曲線不受液體壓力、溫度、黏度、密度和成分的影響，而且水的特性與空氣的特性基本一致，這也為渦街流量計在不同介質上的標定和使用帶來了方便。
3 基于MSP430數字渦街流量計的硬件結構分析
3.1 MSP430數字渦街流量計的整體結構
圖3所示為一數字渦街流量計的整體結構圖，采用了以MSP430單片機為數據處理核心的單CPU硬件結構。儀表的整體結構可以分為對壓電傳感器輸出的渦街信號進行處理的前置放大器電路、單片機采集、信號處理和輸出電路。
圖3 MSP430數字渦街流量計的結構
檢測渦街頻率信號采用應力式檢測方式。把膜片和壓電晶體元件作為檢測元件置于旋渦發生體后，當旋渦在旋渦發生體附近產生后，就會作用在檢測元件上面產生一個交替的升力，該升力的頻率與旋渦發生體發出的旋渦頻率相同，這個升力加上管道噪聲和流體振動噪聲同時作用在檢測元件上，使其產生應力變化，應力差作用于膜片上，使檢測元件內的壓電晶體元件的誘導電荷發生變化，將電荷變化量引出，它是微弱的含有各種噪聲的電荷信號（幅值在幾毫伏左右），此即壓電傳感頭的輸出信號，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號。壓力傳感器的輸出信號要經過模擬信號處理才能輸入單片機進行數字信號處理。
模擬信號處理通過以運算放大器為主體的模擬電路實現：¹通過輸入級的電荷放大器將流量計壓電檢測元件輸出的交變電荷信號轉換為電壓信號；º通過程控放大器實現對電荷放大器輸出信號的程控放大；»通過模擬低通濾波器實現了信號ADC（模數轉換）之前的濾波。
3.2 數字渦街信號的前置放大電路分析
前置放大電路的任務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[6]。前置放大電路主要由電荷放大器、低通濾波器、限幅器和施密特觸發整形器四部分構成，而具體的硬件電路則是由以運算放大器為主體的模擬電路來實現[2]。本文研究的數字渦街流量計選用壓電式渦街傳感頭，此壓電傳感頭的輸出信號，亦是渦街前置放大器電路的輸入信號。
由于壓電傳感器輸出的電信號是很微弱的電荷信號，且傳感器本身有很大內阻，故輸出能量甚微，必須放大傳感器輸出的微弱信號，并將壓電式傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。而電荷放大器實際上是一個以電容為反饋元件的具有深度負反饋的高增益運算放大器，不同于一般電壓放大器的是，其輸入信號是電荷，輸出信號為電壓。圖4為電荷放大器的電路圖。
圖4 電荷放大器的電路圖
影響前置放大器電路正常工作的主要來自周圍的電磁場干擾，可分為高頻電磁輻射干擾和低頻電磁干擾。高頻電磁輻射干擾大多來自空間電磁場的作用，因頻率較高且與渦街的頻帶（一般為幾赫茲和幾千赫茲）相差較遠，可以通過金屬防護罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除。至于低頻電磁干擾（50Hz），由于其頻率處于渦街信號的頻帶之內，金屬外殼無法防御，故消除低頻電磁干擾是前置放大電路的關鍵。
為了衰減信號中的高頻成分，在電路中加入了低通濾波器。為了保證流量信號在低頻、高頻都有高的信噪比，都有很強的抗干擾能力，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，進行正確的測量。但是，截止頻率也不能定的很小，否則會對高頻信號衰減得過大，導致高頻段的信噪比降低，影響測量。因此，必須選擇一個適當的截止頻率；當然，不同口徑和不同介質（氣、液）渦街的截止頻率也會不同。
施密特觸發器是脈沖波形變換中經常使用的一種電路，它其實是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對輸入輸出信號具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產生的振蕩。施密特觸發器在性能上有兩個重要的特點：第一，輸入信號從低電平上升時的轉換電平和從高電平下降時的轉換電平不同；第二，在電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。利用這兩個特點，不僅可以將邊緣變化緩慢的信號波形整形為邊緣陡峭的矩形波，而且可以將疊加于矩形脈沖高信號、低電平上的噪聲有效地清除。
3.3 MSP430單片機及其外圍電路分析
數字渦街流量計信號處理系統主要利用了MSP430內部的12位A/D對前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號進行采樣；利用MSP430內部的ROM作為存儲DSP程序的外部FlashROM；利用MSP430豐富的I/O和中斷端口進行數據傳輸、液晶驅動、鍵盤管理、累計存儲和脈沖輸出等。圖5所示為MSP430單片機外圍電路硬件結構框圖。
圖5 單片機外圍電路硬件結構框圖
渦街信號采集電路主要實現對正弦信號和方波信號的采集，對正弦信號的采集主要利用內部的A/D轉換模塊進行，而利用具有中斷功能的I/O端口進行方波信號的采集；HPI接口電路主要是用于與處理器進行通信，單片機上則利用其接口進行信息的通信；液晶顯示電路外接顯示屏完成顯示的功能，用于顯示測量的瞬時流量和累計流量等；脈沖輸出電路主要用來實現脈沖輸出，有別于液晶顯示輸出；JTAG接口則為了調試程序等用來調試單片機的程序。
4 數字渦街流量計水流量實驗及實驗數據分析
圖6為水流量實驗裝置原理圖。實驗采用精度較高的稱重法進行標定，通過分析數字渦街流量計的儀表性能，并結合硬件設計和信號處理算法，分析數字渦街流量計在信號處理上具有的優勢。實驗采用50mm口徑的標準表管路，300kg測量上限的電子秤。經過實驗，繪制出重復性與測量點的曲線及儀表系數與測量點的曲線，如圖7、圖8所示，從而更好地分析數字渦街流量計的性能。
圖6 水流量實驗裝置原理圖
圖7 數字渦街流量計的重復性曲線
圖8 數字渦街流量計的儀表系數曲線
由于低速下的渦街信號十分復雜，干擾信號甚至能淹沒了有用信號，采用普通硬件濾波的方法很難提取有用信號，但數字渦街流量計采用了頻譜分析的方法，將實際的渦街信號做FFT變換，找到頻譜峰最高的峰值點，將該點的頻率作為渦街頻率的測量值，則可有效得出渦街有用的頻率。因此與傳統的模擬渦街流量計相比，能更好地濾除噪聲信號，大大擴展了流量下限。
通過實驗數據及圖線也可以發現，基于MSP430技術，采用了FFT算法的數字渦街流量計，在小流量時仍然具有很好的重復性以及比較穩定的儀表系數，表明了數字處理方法對擴展渦街流量計的測量下限具有很好的效果。
5 結束語
由于MSP430是一種功能強大的微處理器，具有高速運算能力及功能豐富的各種模塊，因此給信號處理的各種復雜的算法提供了硬件條件。隨著MSP430等處理器的發展與推廣，數字處理能力的不斷提高及各種算法的發展，數字型渦街流量計正獲得飛速發展。
參考文獻：
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