嵌入式涡街流量计的设计与算法研究

　　0　引言

　　涡街流量计广泛应用于过程测量和控制仪表中。但在测量现场,由于各种机械振动和流场的不稳定,使得涡街信号中掺杂了各种噪声和干扰,不能有效提取准确的涡街频率信号,影响了流量计的测量精度。随着单片机和DSP技术的发展,国内外专家相继提出采用各种数字信号处理的有关算法来处理涡街信号,其中FFT因其方法直观,易于编程实现而被广泛应用,但由于FFT的栅栏效应,使得直接采用FFT变换所获得的频谱具有固定的采样间距Δf(Δf=F_s/N,为系统分辨率),从而产生最大为0 .5F_s/N的频率测量误差。为了提高系统分辨率,在相同的采样点数下,就必须减小采样频率,而采样频率又受到香农采样定理的约束;若不改变采样频率,只能增加采样点数N,又会增加数据的存储量和计算量,降低了系统的实时性[1]。可见,单纯用FFT很难进一步提高测量精度,只有对FFT的结果进行一定的改进和校正,才能提取更精确的频率、幅值和相位信息。为此设计一种嵌入式涡街流量计,在算法上利用Z平面上的一段螺旋线做等间隔采样的Z变换,在局部频段内进行频谱细化,以达到进一步提高测量精度的目的。

　　1　涡街流量计工作原理与系统组成

　　1. 1　涡街流量计工作原理

　　涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计,即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(涡街流量传感器中称之为漩涡发生体),就会在其下流两侧产生2列有规律的漩涡即卡门涡街,其漩涡频率正比于来流速度[2]:

　　式中:F为单列漩涡频率,Hz;D为漩涡发生体宽度,m;v为漩涡发生体两侧平均流速,m /s;S_t为特劳哈尔数,无量纲,S的值与漩涡发生体宽度D和雷诺数Re有关。

　　1. 2　硬件系统组成结构

　　根据涡街流量计的特点和数字信号处理的运算要求,选择了dsPIC30F6012单片机作为核心部件,它是一种16位微处理器。其内部集成有1个16位CPU和1个DSP内核,当内部时钟频率为最高120MHz时,进行1次16 bit×16 bit运算为8.3ns等特点。系统组成主要包括:检测电路﹑放大电路﹑显示电路﹑通信接口电路等,其系统组成框图如图1所示。涡街传感器采集流量信号,压力、温度传感器采集流体温度、压力信号对流量信号加以实时补偿和修正。

　　1. 3　前置放大器电路设计

　　前置放大器由电荷/电压转换器、电压放大器、低通滤波器组成。采用双端输入的电荷/电压转换器,它把探头压电晶体输出的交变电荷信号变换成与电荷量成正比的电压信号。电压放大器则利用同相输入的放大器来得到幅度适当的电压信号。设置低通滤波器的作用是为了消除涡街信号中夹带的复杂噪声。前置放大器具体实现电路如图2所示.