低功耗数字涡街流量计硬件研制中的关键技术

　　0　引言

　　涡街流量计是基于流体振荡原理设计而成。在涡街流量计测量流体过程中,存在信号质量受流体本身的稳定性和均匀性影响较大、易受噪声影响以及小信号检测能力有限等问题。通过设计专门的二次仪表,可以降低上述因素对涡街测量的影响[1]。

　　传统的两线制涡街流量计信号处理的基本流程是放大、滤波、整形和计数。在处理过程中,工频干扰、管道振动和谐波干扰都处于信号的频带范围内,涡街流量计往往受到这些噪声的影响而无法较精确地提取信号的频率信息。基于DSP芯片的数字信号处理系统,采用针对性的算法,对流量计的输出信号进行细致的分析处理,取得了较高的精度。但采用这种处理方法系统功耗大,无法满足某些工业现场两线制电流输出或者电池供电等应用场合的需求[2-3]。因此,本文将数字信号处理方法和传统的脉冲计数方法相结合,研制了基于MSP430的低功耗、两线制数字涡街流量计系统,并且在系统其他方面采取节电措施,较好地解决了抗干扰和精度问题,从而满足低功耗的要求[4-5]。

　　1　带通滤波器组的设计

　　在涡街流量计测量的过程中,小流量产生的涡街信号横向升力较小,检测元件输出的信号非常微弱,并且易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响,从而导致量程下限受限,造成整体量程比受限。这些噪声特性主要体现为某个频率点固定和幅值固定的噪声混杂于涡街信号中,使得脉冲整形电路误触发、多计或少计脉冲,从而影响流量测量。而在测量大流量时,检测元件输出的信号幅值增强,信噪比变大,脉冲整形电路误触发的概率降低,测量变得准确。因此,流量测量的难点在于如何提高小流量的测量准确度。如果能够将小流量信号频率以外的干扰噪声滤除,将有效避免脉冲整形电路误触发,扩展系统的量程比。

　　传统的信号调理电路通常只采用低通滤波器滤除高频噪声,对于低频时混杂在信号频率范围内的噪声则无能为力。为了尽量滤除信号中的噪声、避免误触发以及提高量程比,带通滤波器是一个比较好的选择。由于涡街流量信号范围较宽,因此,需要对整个信号频率范围进行划分,然后根据实际流量信号选择相应的频段进行带通滤波,以获得更为良好的滤波效果。

　　1. 1　实现的方式

　　带通滤波可以采用单运放带通滤波器或者双运放高、低通滤波器级联实现。两种滤波器的比较如下。

        ①单运放带通滤波器是一个窄带选频网络,它的作用是选出中心频率,并对其他频率分量进行衰减。在中心频率两侧,随着品质因数Q的增大,幅频曲线的滚降特性加剧,这对于中心频率两侧的有效信号衰减比较严重,如图1(a)所示。级联带通滤波器在中心频率处的幅频特性要平坦许多,如图1(b)所示。